Costruire in acciaio - pichler.pro · Momento ultimo = Momento resistente plastico e rotazione...

Soluzioni antisismiche in acciaio per edifici industriali e civili

Costruire in acciaiola risposta antisismica sicura

Modena, luglio 2012

Prof. Ing. Andrea Dall’Asta

Università di CamerinoScuola di Architettura e Designe-mail:[email protected]

Edifici multipiano

• Organizzazione strutturale

– Collegamenti onerosi

– Schemi isostatici

– Specializzazione strutturale

Calcestruzzo armato

Acciaio

Edifici multipiano

• Schema pendolare – telaio –nodi semirigidi

Edifici multipiano

• Azioni orizzontali– Controventi di piano

– Controventi verticali

1010

10

Strato di polistirolos=10mm

Strato di polistirolos=10mm

60

Edifici industriali e commerciali


Luci grandi – pochi elementi verticali

Masse strutturali irrilevanti

Masse permanenti possono essere ridotte

Schemi statici differenziati

Ridondanza ridotta


Copertura

Elementi attivi per il trasferimento delle azioni (tesi/compressi)

Elementi attivi per il controllo della stabilità

Rigidezza longitudinale/trasversale e ripartizione azioni


Sistema di trasferimento

copertura – controvento

- fondazione


Edifici industrialiEdifici commerciali

PRECASTEELEU-RFCS Research Final report Ilva(Ita), RWTH (Ger), SHE (Gre), UniCam(Ita), UniPi (Ita), UniNa (Spa), ISQ (Por), VTT (Fin), Feno (Ita), UniTh (Gre)


Soluzioni ottimali (Progetto-Sperimentazione-Costi)


Elementi sismo-resistenti

Software

Dissemination e linee guida…


Via di corsa

Progettazione sismica – Comportamento dissipativo (7.2)

- Strutture dissipative (N-Dof) - Duttilità materiale

- Acciaio: elasto-plastico / simmetrico

- Duttilità zone critiche (zone dissipative)- elementi tesi

- sezioni inflesse o sottoposte a taglio -> instabilità locale

- elementi compressi -> instabilità membratura

- Duttilità globale- gerarchia resistenze

- regolarità di piano

Duttilità complessiva

Pushover controventi eccentrici - direzione X-forze proporzionali al 1° modo di vibrare-

0

400

800

1200

1600

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

D/H (% )

base

she

ar (k

N) uscita del primo

link (3°piano) dal campo elastico

uscita dell'ultimo link (5° piano) dal campo elastico

rottura del primo link (3°piano)

funzionamento di tutti i link incampo elastico

zona di transizione

funzionamento di tutti i link in campo plastico

Vy

Vu

au/ay=Vu/Vy=1,54

Progettazione sismica – Comportamento dissipativo (7.2)

- Gerarchia delle resistenze

- Regolarità di piano

Duttilità globale

Sistemi in serie (gerarchia) Sistemi in parallelo (compatibilità)

Progetto duttilità

– Comportamento non dissipativo

– Comportamento dissipativo a bassa duttilità

– Comportamento dissipativo ad alta duttilità

Aspetti generali

Spettri di progetto allo SLU (azione sismica orizzontale)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

T (sec)

S d(m

/s2 )

q=1q=2q=4q=60,2ag

Sd(T)>0.2ag (3.2.3.5)

Aspetti generali

limite

=h/5

00

AD

limite

=h/5

00

ADBDND

limite

=h/5

00

ADBDND

edificio a 4 piani edificio a 8 piani

edificio a 16 piani

vento

vento

ventoControllo spostamentiConfronto spostamento limite – spostamento misurato su struttura progettata per azioni sismiche nelle 3 condizioni di duttilità

MaterialeSovraresistenza materiale

fy,m = tensione media di snervamento

fyk = valore nominale della tensione di snervamento

Rd (ov in EC8) = fattore di sovraresistenza del materiale

fy,max = 1.1 ov fyk (EC8)ft/fy>1.2 As>20% (NTC08)

Materiale

Coefficiente di struttura

- AD/BD – sempre gerarchia delle resistenze (Sovrares. = 1.3/1.1/classe sezione)

- αu/α1 = rapporto tra moltiplicatore ultimo e di primo snervamento (push-over)

Fattori di struttura di riferimento q0 (Tipologia) (q=KRq0)

1,1-1,3

1.0

5,0 αu/α12.5

2,0 αu/α14,0 αu/α1

4224

Strutture intelaiate / Controventi eccentriciControventi reticolari a VStrutture a mensola o pendolo invertitoStrutture intelaiate con contr. concentrici

αu/α1AD (DCH)BD (DCM)Tipologia

Tipologie diverse -> an. Dinamica non lineare o q=1

42

Controventi reticolari concentrici (diag. Tesa)Strutture con tamponature in muratura

Tipologia

Diaframmi di piano

FSd = 1.3 Fsd,E

Modello con piano deformabile

20

• Alta/Bassa duttilità - Classificazione delle sezioniClassificazione in base a resistenza (momento ultimo) eduttilità (rapporto curvatura ultima/curvatura snervamento)

Duttilità di sezione

• Classe 1Momento ultimo = Momento resistente plastico e rotazione ultima elevata

(u/y>3)

• Classe 2Momento ultimo = Momento resistente plastico e rotazione ultima limitata

(u/y>1.5)

• Classe 3Momento ultimo = Momento resistente elastico e rotazione ultima poco superiore alla rotazione limite elastica (l’instabilità locale interviene dopo che si è raggiunta la tensione di snervamento nelle fibre più sollecitate)

• Classe 4Momento ultimo < Momento resistente elastico e rotazione ultima inferiore alla rotazione limite elastica (l’instabilità locale interviene prima che si raggiunga la tensione di snervamento nelle fibre più sollecitate)

Duttilità di sezione

Classe 1 o 2Classe 1

2<q0<=4q0>4

Classe delle sezioni (elementi dissipativi)

Fattore di struttura q0

Duttilità degli elementi dissipativi compressi e inflessi

Aspetti generali

Duttilità degli elementi dissipativi tesi

RdplMyMtresu NAffAN ,02 1.1/1.1/

25.12 M

05.10 M

Sovraresistenza collegamenti zone dissipativeI collegamenti con saldature a completa penetrazione sono sovraresistentiI collegamenti bullonati o con cordoni d’angolo devono soddisfare la relazione:

RduRdplRdcollSd RRR ,,1.1

Aspetti generali

- Analisi lineare - Effetti del II ordine- Analisi lineare applicabile sulla base del coefficiente

P = carico verticale totale di piano

dr = spostamento medio di interpiano

V = taglio di piano

H = altezza di piano

- effetti trascurabili se <0.1, coefficiente amplificativo per 0.1<<0.2 (oltre è richiesta un’analisi non lineare), <0.3 sempre

VHPdr

11

Dipende dal rapporto Sdispl(T)/Sacc(T)

- migliora al crescere della rigidezza

- non cambia molto con l’intensità sismica

- peggiora al crescere di q

Controventi con diagonale tesa attiva

Classe unica (q=4)

Controventi concentrici - Tipologie

Controventi con diagonalecompressa e tesa attiva

CD A (q=2.5) CD B (q=2)

Controventi a K

Non duttili (q=1)

• Elevata rigidezza (SLD – vento)

• Specializzazione strutturale

• Compatibilità architettonica

• Comportamento statico semplice

• Deformazione controllabile (taglio/diagonali – flessione/B/H)

• Vincoli introdotti dalle condizioni sulla snellezza = progettazione complessa (Condizione geometrica - rapporto b/H)

Controventi concentrici

Controventi concentrici - duttilità

Snellezza elemento compressoInfluenza sulla duttilità e deformabilità

Troppo deformabile

duttile

fragile

Controventi concentrici - snellezza

Limiti snellezza (oltre 2 piani)

1- Snellezza adimensionale

X

Z

X

Y

Z

y /

5.02 / yy fE 0.23.1

0.2 (contr. V)

(contr. diagonale tesa attiva)

Controventi concentrici - GR

Gerarchia resistenze (controventi concentrici)

– Travi e pilastri devono possedere un’adeguata sovraresistenza

nei confronti dei diagonali

Coefficiente sovraresistenza del diagonale i-esimo

iEd

yd

iEd

iRdpli

fN

N

,,

,,

Coefficiente sovraresistenza globale

Condizione di regolarità (interazione con cond. snellezza)

25.1min,

max,

i

i

qi ;min

Controventi concentrici - GR

Gerarchia resistenze (controventi concentrici)

– Sovraresistenza travi e pilastri dei controventi (e relativi collegamenti)

NRd(MEd) > NEd = NEd,G + 1.1RdNEd,E

MEd = MEd,G + 1.1RdMEd,E

NEd,G , MEd,G = Sollecitazioni non sismiche

NEd,E , MEd,E = Sollecitazioni sismiche

Controventi concentrici – controventi a V

Controventi a V

– Le travi del controvento devono sostenere i carichi verticali anche nel caso di diagonali

inefficaci (post-sisma)

-Le travi del controvento devono sopportare la flessione indotta dalla differenza di

sollecitazione del diagonale teso (Npl,Rd) e di quello compresso (0.30Npl,Rd).

Controventi concentrici - collegamenti

RdplMyMtresu NAffAN ,02 1.1/1.1/ RduRdplRdcollSd RRR ,,1.1

Controventi concentrici

•Controvento largo (diagonale lunga)• Molta rigidezza

• Diagonale sovradimesionato (snellezza)

• Pilastri ancora più sovradimensionati (GR)

• disuniformi => poca duttiltà

•Controvento stretto (diagonale corta)• Rigidezza ridotta

• No sovradimensionamento

• uniformi => duttilità• Problemi con spostamenti

Esempio

Dimensioni in pianta: 33,8 m x 20,2 m

Esempio

n. 6 piani

H interpiano = 3,60 m

H tot = 21,60 m

Esempio - Materiali

Acciaio S275 (ex Fe 430)

• modulo di elasticità normale E = 210000 N/mm2

• modulo di elasticità tangenziale G = 80000 N/mm2

• coefficiente di dilatazione termica =1.210-6 °C-1

• densità =7850 kg/m3

• tensione di snervamento fyk= 275 N/mm2

• tensione di rottura a trazione ftk= 430 N/mm2

• fattore di sovraresistenza Rd =1,15

Viti ad alta resistenza di classe 10.9

• resistenza a rottura per trazione ftb = 1000 N/mm2

• resistenza allo snervamento fyb= 900 N/mm2

Esempio – Azione sismica

Spettri di progetto (azione sismica orizzontale)

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

T (sec)

Se (g

)

SLD

SLV concentrici - q=3,2

SLV eccentrici - q=4,8

sismaY

sismaXcontrovento più sollecitato per sismaY

controvento più sollecitato per sismaX

G XG+ex; YG+ey

CT (16,9; 10,1)

Esempio – Masse efficaci

G1+G2+S2iQkiMasse efficaci

2i

Uffici (1-5) 0.3Copertura (neve a q.< 1000 m s.l.m.) 0.0Scale 0.6

68508,0910,15416,900427,83

(kNms2)(m)(m)(kNs2/m)

IGYGXG massa

IMPALCATI 1-5

35034,3410,14616,900263,12

(kNms2)(m)(m)(kNs2/m)

IGYGXG massa

COPERTURA

+ 1,01ey (m) =

+ 1,69ex (m) =

ECCENTRICITA’ACCIDENTALI (5%)

Concentrici – Modellazione

Rigidezza scala<15%

Concentrici – Analisi modale

Direzione X Direzione Y

MODO 1

T=1.52 sec

MODO 2

T=1.51 sec

Concentrici – Analisi dinamica

In direzione Y la risposta sismica èmolto simile (stessa rigidezza)

TAGLI di PIANO (sismaX)

0

1

2

3

4

5

6

0 500 1000 1500

kN

impa

lcat

o

combinazione

solo 1° modo

Tagli alla base - sisma X SLV

0100200300400500600700800900

1000

2 5 8modo

Vb (k

N)

SLV concentrici q=3,2

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0 1 2 3 4

T (secondi)

Se (g

)

modo 8T=0,3m=5%

modo 5T=0,51m=17%

modo 2T=1,51m=75%

direzione X

X

Z

X

Y

Z

Concentrici – Diagonali

Snellezza massima 2.0 l1= 2.0 . 86 = 173,6

Snellezza minima 1.3 1= 1.3 . 86 = 112,9

l1=p(E/fy)1/2

L=(5002+3602)1/2=616 cm

1691453,652,1218,796162L70x70x7/20

1381134,472,7331,046162L90x90x9/20

1211135,072,72386162L90x110x10/20

1121165,52,6652,56162L90x100x15/30

fuori pianonel pianoi22 (cm)i33 (cm)Atot (cm2)

lunghezza asta (cm)SEZIONE

Concentrici – Gerarchia resistenza

Coefficiente di sovraresistenza

Npl,Rd = A.fyk/M0

iEdM

yk

iEd

iRdpli N

AfN

N

,0,

,,

1=2,03

6=2,22

5=2,31

4=2,29

3=1,93

2=2,31

IMPALCATO A (cm2)NEd (kN) (trazione)

Npl,Rd (kN) (trazione)

Wi Wmin Wmax min

1° 52,5 679 1375,00 2,032° 52,5 595 1375,00 2,313° 38 515 995,24 1,934° 38 434 995,24 2,295° 31,04 352 812,95 2,316° 18,79 222 492,12 2,22

2L90x100x15/30

2L90x110x10/202L90x110x10/20

2L90x9/202L70x7/20

1,93

sezione

2L90x100x15/30

1,20

DIAGONALI

Gerarchia resistenze travi e pilastriNRd(Msd) > NEd=NEd,g + 1.1Rd

.NEd,E

IMPALCATO sezione A (cm2) Cclasse EC3 (compress.)

NEd,g (kN) NEd,E (kN) NEd,G+NEd,E

(kN)NEd (kN) NRd (kN)

1° HEB400 197,8 0,8565 1 829 1415 2244 4288 44372° HEB400 197,8 0,8565 1 680 1082 1762 3325 44373° HEA 320 124,4 0,8125 2 530 794 1324 2471 26474° HEA 320 125,4 0,8125 2 380 541 921 1703 26685° HEA 220 64 0,692 2 229 320 549 1011 11606° HEA 220 64 0,692 2 78 130 208 396 1160

PILASTRI

Concentrici – Effetti II ordine

Verifica effetti II ordine

Elevazione h P V dr - m kN kN m -1 3.6 23566 1063 0.014 0.0872 3.6 19369 930 0.017 0.0963 3.6 15172 803 0.019 0.0984 3.6 10975 678 0.022 0.0985 3.6 6778 550 0.021 0.0736 3.6 2581 346 0.021 0.044

P = carico verticale totale di piano

dr = spostamento medio di interpiano allo SLV

V = taglio di piano

H = altezza di piano

effetti trascurabili se <0.10

VHPdr

Concentrici – SLD - SLE

SLDdr < 0.005h = 18mm

SLE (vento)

Dmax=21,6/500=43,2 mm

Vento spirante lungo X : DX (mm) = 17,2 <Dmax OK

Vento spirante lungo Y : DY (mm) = 28,8 <Dmax OK

Spostamenti di interpiano allo SLD

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00

1

2

3

4

5

6

impa

lcat

o

dr (mm)

comb. D2 (pilastrata 6)comb. D1 (pilastrata 1)

limite

(0,0

05h)

Concentrici - Diaframmi di piano

-modello con piano deformabile

X 6 piani, q=3.2

133

127

123

131

205

346

0

1

2

3

4

5

6

0 100 200 300 400

Fsd,E (kN)

impa

lcat

o

sismay

FSd = 1,3 Fsd,E =1,3 . 346 = 450 kN(sarebbe meglio 1.1 Rd Fsd,E)

Concentrici - Diaframmi di piano

FSd = 1,3 Fsd,E =1,3 . 346 = 450 kN

-modello con piano rigido (lamiera grecata + soletta c.a.) connettori a taglio

Fsd Fsd/2Fsd/2

Concentrici – Diaframmi di piano

Verifiche dei connettori a taglioAd ogni controvento i connettori devono trasmettere una forza pari a:

Fsd/2 = 225 kN

Calcolo resistenza a taglio di un piolo 16 in soletta piena:PRd = min( PRd,a;PRd,c) = 51 kN

in cui:

PRd,a= 0,8ft(d2/4)/V = 55 kNPRd,c= 0,29d2(fckEc)0,5/V = 51 kNft = 430 MPa acciaio per pioli S275 = 1,0 per hsc/d > 4fck = 25 MPa cls C25/30Ec = 30.000 MPaV = 1,25

Coefficienti riduttivi per posa in soletta con lamiera grecata:k1 = 0,6b0(hsc-hp)/hp

2 greche parallele all’asse della travekt = 0,7b0(hsc-hp)/(nr

1/2hp2) = 0,28 greche ortogonali all’asse della trave

in cui:

b0= 50 mm hp=50 mm hsc= 70 mm nr = 1 (n° di pioli per greca)

Numero connettori necessari per ogni controvento: (Fsd/2)/(ktPRd) = 16

si dispongono connettori 116/80cm (20 connettori) sulle travi dell’allineamento del controvento in direzione Y (116/120cm in direzione X)

Concentrici – Materiale impiegato

Carpenteria metallica

Elementi per azioni verticali 178 t 43,5 kg/mq

Controventi 30 t 7,5 kg/mq

Totale 208 t 51 kg/mq (esclusi collegamenti)

ACCIAIO STRUTTURALE IMPIEGATO

materiale restostruttura

materiale controventi

Comportamento simmetrico in trazione e compressione

Elimina problemi connessi alla snellezza

Facilita gerarchia resistenze e regolarità in altezza

Utilizzabile per adeguamento

Sensibile alla fatica oligociclica

Diagonali ad instabilità impedita (BRB)

Malta di Malta di riempimentoriempimento

Nucleo di Nucleo di acciaioacciaio

Materiale che Materiale che permette lo permette lo scorrimento tra scorrimento tra malta e acciaiomalta e acciaio

Tubo di Tubo di acciaio acciaio

Buckling Restrained Braces

Sistema diffuso in Giappone e Stati UnitiCriteri di progettazione -> norma USA


Fonte: www.siecorp.com/braces/index.html



1. Periodo approssimato (richiesta di rigidezza):x

u r nT C C h

Criteri di Progetto FBD – FEMA 450 Proportioning Criteria

• Design Coefficients

5.527NMRF

52.28MRF

BRBFs + R o dCAe

AaSR

S

• ELF Procedure (Statica)

2. Verifica Applicabilità

3. Taglio alla Base: WIR

SWCV Ds /

4. Forze di Piano:k

x xx k

i ii

w hF Vw h

5. Sollecitazioni BRBs e Colonne (Sovraresistenza )

6. Verifica a Posteriori Spostamenti

• RS Procedure1.Analisi Dinamica Lineare con Spettro di Risposta in Accelerazione ( , )AaS T

3. Sollecitazioni BRBs e Colonne

2. Controllo Taglio alla Base 0.85 ( )ADL ELF u aV V T C T

(Dinamica)

≤ 3.5 Tc FEMA 450 T

,d iA ,io cA

o

Controventi eccentrici

Classe duttilità ALTA

q=u/y 5.0 u/y = 1.2

Classe duttilità BASSA

q = 4.0


• No condizioni geometriche sul dimensionamento

• Rigidezza controllabile (SLD – vento)

• Specializzazione strutturale

• B/H meno influente sul progetto (no vincoli sul progetto della trave dissipativa)

• Compatibilità architettonica migliore

• Comportamento statico semplice

Eccentricità limite

elim = 2.0 Ml,Rd/Vl,Rd (link simmetrico)

elim = (1+ ) Ml,Rd/Vl,Rd (link non simmetrico, =Ml,min / Ml,Rd )

Classificazione

link corto e<1,6Ml,Rd/Vl,Rd <0.8(1+ ) Ml,Rd/Vl,Rd

link intermedio 1,6 Ml,Rd/Vl,Rd < e <3Ml,Rd/Vl,Rd

link lungo e >3Ml,Rd/Vl,Rd >1.5(1+ )Ml,Rd/Vl,Rd

Ml,Rd resistenza flessionale di progetto

Vl,Rd resistenza a taglio di progetto

NSd trascurabile se <0.15 Npl,Rd

ffyRdl thbtfM ,


3/, fwyRdl thtfV


SEZIONE W (cm3) Aw (cm2) MRd VRd MRd/VRdlink corto se e(m)

<:link lungo se e(m)

>:IPE 300 557 19,78 153 314 0,49 0,78 1,46

HEA 160 220 8,04 61 128 0,47 0,76 1,42

HEA 220 515 13,16 142 209 0,68 1,08 2,03

HEA 240 675 15,45 186 245 0,76 1,21 2,27

HEA 320 1480 25,11 407 399 1,02 1,63 3,06

HEB 160 311 10,72 86 170 0,50 0,80 1,51

HEB 200 570 15,3 157 243 0,65 1,03 1,94

HEB 220 736 16,92 202 269 0,75 1,21 2,26

HEB 240 938 20,6 258 327 0,79 1,26 2,37

HEB 260 1150 22,5 316 357 0,89 1,42 2,66

HEB 280 1380 25,62 380 407 0,93 1,49 2,80

HEB 300 1680 28,82 462 458 1,01 1,62 3,03

HEB 320 1930 32,085 531 509 1,04 1,67 3,13

HEB 360 2400 39,38 660 625 1,06 1,69 3,17

HEB 400 2880 47,52 792 754 1,05 1,68 3,15

Dimensione link per profili usuali

plVeMep ,,

Controventi eccentrici – Gerarchia delle resistenze

Controllo della duttilità locale

L’angolo di rotazione rigida p tra l’elemento di connessione e l’elemento contiguo non deve eccedere i seguenti valori:

«corti»: p = 0,08rad

«lunghi»: p = 0,02rad

Per gli elementi di connessione «intermedi» si interpola linearmente tra questi valori.

Hqd

eB

eB e

p

Es. link simmetrico sulla trave


Gerarchia delle resistenze

Resistenza del Link (contributo soletta e meccanismi locali)Link corto Link lungoVu=1,5*Vl,Rd (Ml,Sd) Mu=1,5*Ml,Rd (Vl,Sd) Mmax= Vue/2 Vmax= 2Mu/e

Coefficienti di sovraresistenza dei linkLink corto Link lungo

iEd

iRdli V

V

,

,,5.1

iEd

iRdli M

M

,

,,5.1

Coefficiente sovraresistenza globale

qi ;min

Condizione di regolarità

25.1min,

max,

i

i


Gerarchia delle resistenze

Resistenza altri elementi (trave-colonna-diagonali)

NRd(MEd) > NEd = NEd,G + 1.1RdNEd,E

MEd = MEd,G + 1.1RdMEd,E

NEd,G , MEd,G = Sollecitazioni non sismiche

NEd,G , MEd,G = Sollecitazioni sismiche

Controventi eccentrici – Dettagli

Regole di dettaglio

Instabilità ali e flessotorsionale (link lunghi e intermedi)

Irrigidimenti a distanza 1.5 bf dal nodo (a tutta altezza)

Instabilità anima (link corti)

Irrigidimenti d’anima alle estremità ed intermedi,

spessore t>tw, t>10mm

Larghezza bf/2-tw

Nei link corti con travi piccole (h<600mm) si possono disporre su un solo lato con altezza >3/4hw


Link corti – irrigidimenti (C2009)

Capacità di deformazione

richiesta (link simmetrico)

max,pe

p Hqd

eB

eB

de = spostamento massimo di interpiano sul

piano del controvento


Link intermedi – irrigidimenti (C2009)


Link lunghi – irrigidimenti (C2009)

Esempio


Esempio – Azione sismica

Spettri di progetto (azione sismica orizzontale)

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

T (sec)

Se (g

)

SLD

SLV concentrici - q=3,2

SLV eccentrici - q=4,8

Eccentrici – Modello

Nota: rigidezza scala con travi appoggiate sagomate <15% ->struttura secondaria (si può trascurare)

Eccentrici – Analisi dinamica

In direzione X la risposta sismica èmolto simile (stessa rigidezza)

Tagli alla base - sisma Y SLV

0

100

200300400

500

600700

800

900

2 5 8modo

Vb (k

N)

SLV eccentrici q=4,8

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0 1 2 3 4

T (secondi)

Se (g

) direzione Y

modo 8T=0,35m=5%

modo 5T=0,57m=19,5%

modo 2T=1,49m=71,5%

TAGLI di PIANO (sismaY)

0

1

2

3

4

5

6

0 500 1000 1500

kN

impa

lcat

o

combinazione

solo 1° modo

Eccentrici – Sollecitazioni

Azioni assiali Momenti

Tagli

Eccentrici – Gerarchia resistenze

Coefficiente di sovraresistenza (>1.5)Vu=1,5.Vl,Rd=1,5.Aw

.fy/31/2

Wi=Vu,i/VEd,i

1=1.69

6=1.94

5=1.82

4=1.87

3=1.72

2=1.83

Gerarchia resistenze pilastri, diagonali e traviNRd(Msd) > NEd,g + 1.1Rd

.NEd,E

IMP

ALC

ATO

Aw

(cm2)W

(cm3)e (cm) tipo

clas

se

Vu

(kN)VEd

(kN)VEd,g

(kN)VEd,E

(kN)i

m

ax/

min

1° 26,8 1380 80 corto 1 639 379 5,96 373 1,6872° 26,8 1380 80 corto 1 639 350 5,96 344 1,8273° 22,4 1150 80 corto 1 533 311 5,96 305 1,7164° 20,6 938 80 corto 1 491 262 5,96 256 1,8735° 15,3 570 80 corto 1 364 200 5,96 194 1,8226° 9,06 220 80 corto 1 216 111 1,75 109 1,941

HEB 200HEA 180

LINK

sezione

1,15

HEB 280

1,69

HEB 280HEB 260HEB 240

A (cm2)

c

clas

se

NEd,g

(kN)NEd,E

(kN)

149 0,816 1 870 1065112,5 0,813 1 709 754112,5 0,813 1 547 47864,3 0,692 1 385 24964,3 0,692 1 224 8164,3 0,692 1 79 21 11656° HEA 220 100 124

11655° HEA 220 305 397 11654° HEA 220 634 916

23943° HEA 300 1025 1567 23942° HEA 300 1463 2318

NRd (kN)

1° HEB 300 1935 3142 3186

IMPALCATO sezioneNEd,g + NEd,E

(kN)NEd (kN)

PILASTRI

A (cm2)

c

clas

se

NEd,g

(kN)NEd,E

(kN)96,6 0,513 1 38,4 51496,6 0,513 1 36,14 47496,6 0,513 1 34,14 421

74,91 0,403 1 31,9 35374,91 0,403 1 30 26874,91 0,403 1 8,6 150

7916° 2UPN220 272 329 7915° 2UPN220 421 602

12974° 2UPN220 500 785 7913° 2UPN260 597 932

12972° 2UPN260 699 1048 12971° 2UPN260 781 1135

DIAGONALI

IMPALCATO sezioneNEd,g + NEd,E

(kN)NEd (kN) NRd (kN)

Link corti: e=800mm corto per HE>160

Eccentrici – Gerarchia resistenze

stessa situazione per SISMA XSLU Sisma verificatoSLU vento da verificare

SISMA YPilastri Diagonali

CAPACITY DESIGN PILASTRI (controventi lungo Y larghi 5,00 m)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1 2 3 4 5 6

impalcato sorretto

N (k

N)

NsdNrd richiestoNrd

CAPACITY DESIGN DIAGONALI (controventi lungo Y larghi 5,00 m)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 2 3 4 5 6

impalcato soprastanteN

(kN)

NsdNrd richiestoNrd

Eccentrici – SLD - SLE

SLDdr < 0.005h = 18 mm

SLE (vento)Dmax=21,6/500=43,2 mm

Vento spirante lungo X : DX (mm) = 16,89 <Dmax OK

Vento spirante lungo Y : DY (mm) = 28,26 <Dmax OK

Spostamenti di interpiano allo SLD

0 5 10 15 20

1

2

3

4

5

6

impa

lcat

o

dr (mm)

comb. D1 (pilastrata 1)comb. D2 (pilastrata 6)

limite

(0,0

05h)

Eccentrici – Limitazione effetti II° ordine

EFFETTI DEL 2° ORDINE

VHPdr

0,0634290,024270,072581,21263,123,66

0,0884940,023487,756778,22427,833,65

0,0919550,019641,5310975,23427,833,64

0,0925260,017763,8715172,24427,833,63

0,0893010,014861,4219369,26427,833,62

0,0912310,013937,2023566,27427,833,61

spost. relativo dr (m)

taglio di piano V (kN)

peso totale sopra P (kN)

massa efficace di piano (kNs2/m)

h (m)elevazione

Eccentrici – Materiale


Elementi per azioni verticali 178 t 43,5 kg/mq

Controventi 36 t 8,8 kg/mq

Totale 214 t 52,3 Kg/mq (esclusi collegamenti)

Concentrici EccentriciACCIAIO STRUTTURALE IMPIEGATO

materiale restostrutturamateriale controventi


materiale resto struttura


Telai

• Rigidezza bassa (SLD – vento - instablità)

• Specializzazione strutturale (telai diversificati-luci ridotte)

• Compatibilità architettonica massima

• Comportamento statico complesso

• Collegamenti onerosi

Telaio spaziale Telaio perimetrale Telaio perimetrale parziale

Telai - collegamenti

Collegamenti saldati (3D)

Telai - collegamenti

Collegamenti bullonati (3D)Collegamenti bullonati (2D)

Telai – zone dissipative

Zone dissipative telai

Classe duttilità ALTA

q=u/y 5.0 u/y = 1.1-1.3

Classe duttilità BASSA

q = 4.0

Nodo

• Zona dissipativa = zona in prossimità dei nodi

• Componenti (diversa duttilità)• Nodo : pannello a taglio (duttile)

• Nodo : piatti di continuità

• Collegamento : trave-pilastro (duttile)

• Collegamento : pilastro-pilastro

• Membratura : trave (duttile)

• Membratura : pilastro

Pannelli nodali

Pannelli nodali

Piatti di continuitàEvitare concentrazioni vicino anima pilastroRipartizione uniforme taglio sul pannello

Pannello a taglioElemento dissipativo (in serie con trave) Incrudimento sensibileCicli plastici stabili

Pannelli nodali

b

fb

fb

RdplRdRdwp hH

thth

MV 1,

,

Pannelli nodali – Sollecitazioni di progetto

NTC 2009 considera zona non dissipativa –gerarchia resistenze

Vwp,Rd = resistenza di progetto anima Aw fy /30.5

Mpl,Rd = resistenza plastica di progetto delle travihb = altezza travetf = spessore flangeH = altezza interpiano

fb

Rdpltravipl th

MV

,

,

b

RdplpilastriSd hH

MV

,

,

Nota: nella circolare 2009 non c’è il fattore 1.1

Pannelli nodali

Pannelli nodali – Resistenza di progetto

Vvp,Rd = resistenza plasticaVvb,Rd = resistenza instabilità

2

, 13

yVC

yRdvp f

Af

V

RdvpRdvb VV ,, yk

w

fth 23572

se altrimenti EC3-1-5

Nota: piatti di continuità obbligatori per collegamenti saldati

),( min ,,, RdvpRdvbRdv VVV

Collegamento Trave-pilastro

Collegamento trave-colonna (Northridge earthquake 1994)

Connessione mista (bullonatura+ saldatura)

Strappi lamellari (forza ort. direzione di laminazione)

Personale non qualificato / sald. In opera

Saldatura inferiore interrotta

Frattura indotta dal piatto di appoggio

Impalcato a struttura mista

Collegamento Trave-pilastro

Collegamento trave-colonna

Collegamento sovra-resistente

I collegamenti con saldature a completa penetrazione sono sovraresistenti

I collegamenti bullonati o con cordoni d’angolo devono soddisfare la relazione:

RduRdplRdcollSd RRR ,,1.1

Elemento dissipativo

Zona di cerniera plastica

Classe 1 o 2Classe 1

2<q0<=4q0>4

Classe delle sezioni (elementi dissipativi)Fattore di struttura q0

LimitazioniSezione a I con h/tf<40Diagramma momenti (circa) lineare

Lunghezza stabile tra 2 vincoli torsionali (C4.2.3.7)

Parametro per descrizione del diagramma dei momenti

Lunghezza stabile

iz = raggio d’inerzia dell’alaMRd,pl = Momento plastico della cernieraMEd,min = momento sismico minimo all’estremo

opposto de tratto vincolato

50 50 5050

plRdM ,

min,EdM

Stabilità laterale cerniera plastica

min,

,

Ed

plRd

MM

625.01.0- 40601.00.625 35

zs

zs

iLiL

min,

,

Ed

plRd

MM

Trave indebolita

Trave indebolita (dog-bone)

Trave indebolita

Collegamento con trave indebolita

eehWWc RBS

)(2yd

SdRBS f

MW

a deve essere tale che la cerniera plastica non si allontani molto dal pilastro

b tale da garantire una sufficiente capacitàrotazionale alla cerniera plastica per assicurare la formazione del meccanismo globale.

EC8

5,0

6

75,0

1

f

f

bb

ba

hbh

SdM

Collegamenti pilastri

Collegamento trave-colonna (non dissipativo)

Mj,Rd > 1.1 Rd Mb,pl,Rd (o saldature di I classe)

Mj,Rd = resistenza di progetto del collegamento

Mb,pl,Rd = resistenza plastica di progetto flessionale della trave

Rd = sovraresistenza materiale

Collegamento colonna fondazione (non dissipativo)

MC,Rd > 1.1 Rd Mc,pl,Rd (NEd )

MC,Rd = resistenza di progetto del collegamento

Mc,pl,Rd = resistenza plastica di progetto della base della colonna

NEd = sollecitazione assiale di progetto

Rd = sovraresistenza materiale

Cerniere plastiche alle estremità delle travi

NSd e VSd non devono ridurre la duttilità delle travi

MEd < Mpl,Rd

NEd < 0.15 Npl,Rd (travi collegate ai controventi di piano)

VEd,G + VEd,M < 0,5 Vpl,Rd (taglio azioni verticali+taglio momenti resistenti)

(travi corte e HE)

Taglio sui pilastri

VEd < 0,5 Vpl,Rd

Travi e pilastri – prescrizioni generali

, ,pl Rd AM

A B

maxq

L

max''M q

, ,pl Rd BM

,Sd AV ,Sd BV

, ,pl Rd AM

, ,pl Rd BM

Sovraresitenza delle cerniere plasticheMpl,Rd,i = resistenza plastica di progetto della cernieraM Ed,i = sollecitazione di progetto della cerniera (*)

Coefficiente di sovraresistenza globale (*)

Sollecitazioni di progetto elementi non dissipativi (colonne)NEd = NEd,G + 1.1 Rd NEd,E

MEd = MEd,G + 1.1 Rd MEd,E

VEd = VEd,G + 1.1 Rd VEd,E

SEd,G = sollecitazione dovuta ai carichi verticaliSEd,E = sollecitazione dovuta al sisma Rd = sovraresitenza materiale

Gerarchia resistenza locale trave-pilastro

Mc,pl,Rd (Nc,Ed) > RD Mb,pl,Rd

RD = 1.3 / 1.1 AD / BD

qi ;min

Edifici in acciaio - criteri di verifica

iEd

iRdpli M

M

,

,,

Esempio - Telaio


Esempio - Telaio

n. 6 piani

H interpiano = 3,60 m

H tot = 21,60 m

Esempio - TelaioSpettri di progetto

(azione sismica orizzontale)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

T (sec)

Se (g

)

SLDSLV concentrici - q=3,2SLV eccentrici - q=4,8SLV telaio - q=5,2

Esempio – Progetto

Obiettivi e Problemi di Progetto:

- Periodo / rigidezza paragonabile a quello degli altri esempi (~1,5 sec);

- Controllo del rapporto modulo res. trave/mod. res. pilastro (GdR)

- Spostamenti relativi uniformi

- Limitazione della deformata shear type per ridurre effetti II ordine (ulteriore

incremento pilastri)

Telaio a mensola Telaio shear-type Spostamenti

Telaio – Analisi Strutturale

Sollecitazioni – Carichi Gravitazionali

Azioni assiali Tagli Momenti


Sollecitazioni – Azioni Orizzontali



Sollecitazioni – Combinazione sismica



Dimensionamento HE200BHE200BHE200B HE200B HE200B

HE200B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE200B HE200BHE200BHE200B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

A B C D E F

6

5

4

3

2

1

Tutte le sezioni sono di classe 1

Telaio – Analisi Dinamica

SLV telaio q=5,2

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4T (secondi)

Se (g

) direzione Y

modo 8T=0,29m=6%

modo 5T=0,57m=14,5%

modo 2T=1,51m=74,5%

Rigidezza simile in direzione X e Y

Modo 4Modo 5Modo 7Modo 8

Modo 2

Modo 1

Telaio – Effetti II° ordineEFFETTI DEL 2° ORDINE

rPdVh

0,0734920,0270242,802376,18242,223,66

0,1045600,0242390,006059,83375,503,65

0,1003260,0212572,009743,49375,503,64

0,1187210,0215676,2013427,14375,503,63

0,1376080,0210726,0017110,80375,503,62

0,0959070,0142858,0020794,45375,503,61

spost. relativo dr (m)

taglio di piano V (kN)

peso totale sopra P (kN)

massa efficace di piano (kNs2/m)

h (m)elevazione

Pi

0 5000 10000 15000 20000 25000

1

2

3

4

5

6

Vi

0 200 400 600 800 1000

1

2

3

4

5

6

di

0 0.05 0.1 0.15

1

2

3

4

5

6

i

0 0.01 0.02 0.03

1

2

3

4

5

6 i

0 0.05 0.1 0.15

1

2

3

4

5

6

Non è possibile trascurare gli effetti del 2° ordine.

(Nel campo a=0.2a0 bisogna prendere lo spettro reale)

Telaio – Verifiche Collegamento Trave - Colonna

HE200BHE200BHE200B HE200B HE200B

HE200B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B


HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

A B C D E F

6

5

4

3

2

1

466,5SdM kNm0,8x m

Es. Trave 2 C-D HE320B

5 m

0,8 mHE320B

302, 6SdV kN

4 6 6 6 6 41,5

Resistenza unione

Bulloni 24, classe 10.9

Lamiera s=15 mm

, Re0,5 / 141,15V Rd tb s MbF f A kN

, / 207,36b Rd tk MbF k f d t kN

, ,min( ; )Rd V Rd b RdF F F

1 129,8

12sd

Sdf

MF kNh t

Unione Ala (6 bulloni)

75, 64sd

SdVF kN Unione Anima (2 bulloni)

Tensione sulla piastra in trazione

2206 /Sd N mm

0,92

0,54

0,58

Verifica unione

Telaio – Verifiche Coefficenti - Sovraresistenza Travi


HE200B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B


HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

A B C D E F

6

5

4

3

2

1

65 kNm 66 kNm 67 kNm60 kNm66 kNm

126 kNm129 kNm143 kNm 142 kNm 139 kNm




Mpl,Rd (kNm)

562,83HE320B1

562,83HE320B2

489,50HE300B3

401,76HE280B4

168,27HE200B5

3,29

2,95

2,86

2,81

2,55

A-B

3,65

3,25

3,12

3,11

2,80

B-C

3,94

3,45

3,26

3,19

2,59

C-D

3,50

3,04

2,86

2,83

2,55

D-E

3,35

3,03

2,93

2,89

2,51

E-F

3,29

2,95

2,86

2,81

2,51

i

1

2

3

4

5

= min { 2,51 ; 5,2 } = 2,51

1 / = 1,31

iEd

iRdpli M

M

,

,,Travi e relativi Momenti sollecitanti – Combi. U6(P-)

Telaio – Verifiche Verifica Nodi – Dimensionamento irrigidimenti –Taglio


HE200B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B


HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

HE340B

HE340B

HE340M

HE340M

HE360M

HE360M

A B C D E F

6

5

4

3

2

1

Es. Nodo 2 E

HE320B HE320B

Mb,pl,Rd = 562,8 kNm

Nc = 263 kN

Nc = 263 kN

Mb,pl,Rd = 562,8 kNm

HE320B

,, 1 3927pl Rd b f

wp Sd Rdb f b

M h tV kN

h t H h

2 2VC f v fA A bt t r t 2

, 1 15473y

vp Rd VCy

fV A kN

f

, ,wp Sd wp RdV V

necessità di rinforzo

t

Dimensioni Irrigidimento

, 28,7irr c f cb b t cm

2380vpV kN

1 4,78cos

wpirr

y irr

Vt cm

f b

1631330113297546915271

129226391878437712072

9221966865802888553

5821344653872055314

286732622121222535

112271038450986

FEDCBA

Forze assiali sui nodi

0.944.784.834.814.780.931

0.904.784.814.804.780.892

0.724.364.384.374.360.713

0.293.673.683.683.673.684

0.383.023.023.023.020.385

0.383.023.023.023.020.386

FEDCBA

Spessore Irrigidimento Pannelli nodali

Telaio – Verifiche Verifica SLD

***5,6176

1,0734,5435

1,1213,4224

0,9312,4913

0,9411,5502

0,9210,6291

0,62900

[cm][cm]

drdPiano

d

0

1

2

3

4

5

6

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0d [cm]

Verifica SLE - Vento

dr

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

1

2

3

4

5

6

dr [cm]

Spostamenti da Combinazione D2(P-)

Spettri di progetto - SLD

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0 1 2 3 4

T (sec)

Se

(g)

0,005 1,8rd h cm

0.4623.213.621.66

0.5872.753.6185

0.5582.163.614.44

0.6011.603.610.83

0.5961.003.67.22

0.4070.403.63.61

00***00

[cm][cm][m][m]

drdhzPiano

d

0

1

2

3

4

5

6

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5d [cm]

dr

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

1

2

3

4

5

6

dr [cm]

Spostamenti da Combinazione R4

1,2300rhd cm max 4,32500

Hd cm

Telaio (Dog bones) – Verifiche Travi indebolite – Dog bones

0,75b h

In accordo con le indicazioni dell’EC8 si assume:

6fb

a 1 0,5 fb b

Posizione Riduzione ala

321.630.3715562.8321492.053230HE320B39.5HE360M1

321.630.3715562.8321492.053230HE320B39.5HE360M2

279.750.3515489.5018691.93030HE300B37.7HE340M3

228.840.3414401.7615341.82828HE280B37.7HE340M4

95.600.2810168.27642.51.52020HE200B34.0HE340B5

95.600.2810168.27642.51.52020HE200B34.0HE340B6

My,pl,db [kNm]z [m]b1 [cm]My,pl [kNm]Wy,pl [cm3]tf [cm]ht [cm]bf [cm]Travehp [cm]PilastroPiano

Attraverso l’introduzione del Dog bone si può ottenere una riduzione del momento resistente plastico di circa il 40 % di quello della sezione integra. (sezioni HE)

Telaio (Dog bones) – Verifiche Coefficenti - Sovraresistenza Travi indebolite

My,pl,db [kNm]

321.63HE320B1

321.63HE320B2

279.75HE300B3

228.84HE280B4

95.60HE200B5

2.41

2.16

2.11

2.03

1.81

A-B

2.66

2.36

2.24

2.21

1.93

B-C

2.76

2.42

2.26

2.20

1.71

C-D

2.60

2.25

2.12

2.04

1.72

D-E

2.46

2.22

2.16

2.11

1.79

E-F

2.41

2.16

2.11

2.03

1.71

i

1

2

3

4

5

= min { 1,71 ; 5,2 } = 1,71

1 / = 1,41

iEd

iRdpli M

M

,

,,Travi e relativi Momenti sollecitanti – Combi. U6(P-)HE200BHE200BHE200B HE200B HE200B

HE200B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B


HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

HE280B

HE300B

HE320B

HE320B

A B C D E F

6

5

4

3

2

1






Telai – Materiale


El. non Sismoresistenti 125 t 31,8 kg/m2

Telai Sismoresistenti 155 t 39,4 kg/m2

Tot (esclusi collegamenti) 280 t 71,2 kg/m2

Concentrici EccentriciACCIAIO STRUTTURALE IMPIEGATO

materiale restostrutturamateriale controventi


materiale resto struttura


Telai


materiale elementinon Sismoresistenti

materiale elementiSismoresistenti

Soluzioni antisismiche in acciaio per edifici industriali e civili

Costruire in acciaiola risposta antisismica sicura

Modena, luglio 2012

Prof. Ing. Andrea Dall’Asta

Università di CamerinoScuola di Architettura e Designe-mail:[email protected]

Costruire in acciaio - pichler.pro · Momento ultimo = Momento resistente plastico e rotazione...

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