PRINCIPI GENERALI DI PROGETTAZIONE ANTISISMICA€¦ · Energia dissipata durante la sollecitazione...

PRINCIPI GENERALIDI PROGETTAZIONEANTISISMICACon riferimento alle parti aggettanti dell’edificio

Dott. Dimitris Mouratidis

EDIFICIO come

SISTEMA VIVENTE


EDIFICIO COME SISTEMA VIVENTEL’edificio è un complesso organico costituito da parti strutturali, architettoniche efunzionali, così come un essere vivente è costituito da ossa, muscoli ecaratteristiche estetiche.

Sistema funzionale

Sistema strutturale



Vita nominale dell’edificio

EDIFICIO COME SISTEMA VIVENTE

EDIFICIO COME SISTEMA VIVENTEMateriali

CLS non confinato

CLS confinato

Armatura longitudinale

Armatura trasversale




Acciaio - B450C

• Completa la resistenza strutturale dell’elemento in c.a. assorbendo gli sforzi di trazione e di taglio.

• Gli acciai strutturali si dividono per categorie di sensibilità alla corrosione: non vanno mai messi in contatto acciai diversi.

• Il tipo di armatura viene stabilito in funzione dei fattori ambientali

• Rapporto di incrudimento:𝝈𝒎𝒂𝒙

𝒇𝒚≥ 𝟏, 𝟏𝟑

• Rapporto di snervamento:𝒇𝒚,𝒆𝒇𝒇𝒆𝒕𝒕𝒊𝒗𝒐

𝒇𝒚,𝒅≥ 𝟏, 𝟑

duttilità

incrudimento


Calcestruzzo – CLSeffetto del confinamento


• Incide sensibilmente sulla resistenza finale del CLS, cheessendo di fatto un conglomerato (cementizio), vedeincrementata la sua resistenza a compressione quandoesiste un sufficiente livello di confinamento.

• Aumentare la resistenza del CLS vuol dire diminuire la sua duttilità: la deformabilità del materiale si riduce quindi in favore dell’aumento di resistenza.

• L’aumento di resistenza implica l’aumento di elasticità.• È fondamentale progettare la posizione delle armature di

confinamento, per ridurre danni da espansione.


Calcestruzzo – CLS - effetto del confinamento


• Il pieno confinamento si ha negli angoli, poiché sui lati la pressione del CLS fa inflettere i bracci verso l’esterno: l’utilizzo delle spille ed una buona distribuzione dei ferri longitudinali incrementano il confinamento.

• L’effetto del confinamento è tanto migliore quanto minore è il passo delle staffe: tale fattore influenza anche la stabilità dell’equilibrio delle barre longitudinali.


Calcestruzzo – CLS - effetto del confinamento


Sismo-resistente

Ordinaria

SE siamo fortunati

42%

22%12%

8%7% 4% 5%

CLS non adeguatamenteconfezionatoquantità di CLS inadatta

Errori di progettazione

Sovraccarichi inadeguati all'uso

Fondazioni non adeguate

Incendi

Altro


Durabilità e degrado del CLS


È la capacità del CLS di durare nel tempo, resistendo alle azioni aggressive dell’ambiente, agliattacchi chimici, all’abrasione o ad ogni altro processo di degrado che coinvolga, oltre allapasta cementizia, anche le eventuali armature metalliche.




Cause del degrado:

• Chimiche• Solfati: presente nei terreni e negli ambienti umidi sotto forma di sale o acido• Anidride carbonica: effetto carbonatante• Ossigeno• Agenti non naturali: acidi e basi organici e inorganici, acque reflue, ambienti industriali

• Fisiche• Variazioni termiche: cicli di gelo e disgelo, incendi• Ritiro: fenomeno osservabile in fase di stagionatura del CLS• Sali disgelanti

• Meccaniche• Urti, scoppi, cavitazione• Erosione, abrasione• Sisma, vibrazioni• Fatica: carichi ciclici a frequenze più o meno elevate• Carichi straordinari: accidentali o non previsti




COPRIFERRO

• È la distanza tra la superficie esterna dell’armatura e la superficie esterna del conglomerato.

• Consente la trasmissione delle forze di aderenza delle armature• Protegge l’armatura dagli agenti degradanti

Deve essere dimensionatoin funzione dell’aggressivitàdell’ambiente

𝒄𝒅 = 𝜹𝒎𝒊𝒏 + 𝜟𝜹𝒓𝒆𝒍




Classi di esposizione ambientale – UNI EN 206-1

• Nessuno rischio di corrosione o di attacco al CLS – XC0

• Corrosione indotta da carbonatazione – XC1, XC2, XC3, XC4

• Corrosione indotta da cloruri – XD1, XD2, XD3

• Corrosione indotta da cloruri marini – XS1, XS2, XS3

• Attacco da cicli gelo/disgelo – XF1, XF2, XF3, XF4

• Attacco chimico – XA1, XA2, XA3




COPRIFERRODeve essere dimensionato in funzione dell’aggressività dell’ambiente

Copriferro minimo richiesto, per Vn=50 anni (mm) – [EC2]

Classe strutturale

Classi di esposizione ambientale

X0 XC1

XC2XC3XA1XA2XA3

XC4XF1XF3

XD1XS1

XD2XS2XF2

XD3XS3XF4

II 10 15 25 30 35 40 45

𝒄𝒅 = 𝜹𝒎𝒊𝒏 + 𝜟𝜹𝒓𝒆𝒍


Performance-based design

PRINCIPI DI PROGETTAZIONE SISMO-RESISTENTE




COPRIFERRO



Durabilità e degrado del CLSCOPRIFERRO




Sollecitazioni sismiche

Le vibrazioni ad alta frequenza provocano stati alternati di trazione, nei quali i CLS non reagisce e si lesiona. Le sollecitazioni biassiali provocano le classiche lesioni a Croce di S. Andrea

PRINCIPI DI PROGETTAZIONESISMO-RESISTENTE




D . M . 1 4 / 0 1 / 2 0 0 8Norme Tecniche per le Costruzioni

NTC 08

Verifica Locale Verifica Globale

Carattere Prescrittivo Carattere Prestazionale



Progettazione per azioni sismicheCAP. 7

• Eliminazione delle zone sismiche e conseguente sistematico riferimentoad ag∙S

• Chiarimento su comportamento dissipativo e non dissipativo e relativifattori di comportamento

• Chiarimento del concetto di progettazione in capacità

• Riorganizzazione delle verifiche per elementi strutturali, non strutturalied impianti e per tipologia di verifica (rigidezza, resistenza e duttilità)

• integrazioni sui dettagli costruttivi per la duttilità e possibilità di eseguirele verifiche in maniera esplicita nelle zone dissipative dei pilastri di base

• Possibilità di impiego del confinamento del calcestruzzo nell’analisistrutturale, in coerenza con quanto introdotto al cap. 4

REVISIONE2 0 1 5



Costruzioni esistentiCAP. 8

• Verifiche delle fondazioni, per scongiurare le condizioni che possonoportare a fenomeni di instabilità globale

• Esplicito riferimento alla verifica di liquefazione del terreno

• Livello di sicurezza inferiore all’unità (80%) per l’adeguamento sismico

• Criteri per l’adeguamento in caso di soprelevazione

• Obbligatorietà del collaudo statico per soli interventi di adeguamento emiglioramento

• Obbligatorietà di verifiche preliminari di stabilità e di interazione nelcaso di modifiche strutturali

REVISIONE2 0 1 5



Il decalogo della progettazione strutturale

La struttura deve essere leggera

Le componenti non strutturali devono essere leggere

L’edificio e la sua struttura portante deve essere semplice, simmetrico e regolare

L’edificio e la sua struttura portante deve avere una distribuzione uniforme e continua di massa, rigidezza e resistenza

La struttura deve avere luci contenute e devono essere evitati lunghi sbalzi

Vitelmo Bertero

1

2

3

4

5



Gli elementi non strutturali possono essere separati dalla struttura portante, in mododa non interagire con essa o, al più possono essere integrati con essa

I dettagli strutturali devono essere progettati in modo che le deformazionianelastiche siano delimitate (e controllate) sono in determinate regioni all’internodella struttura, secondo definite gerarchie

La struttura deve possedere il maggior numero di linee di difesa (ridondanza)

La struttura deve mostrare un bilanciamento tra rigidezza e resistenza

La rigidezza e la resistenza di una struttura devono essere compatibili con quelle delterreno di fondazione

6

7

8

910

Il decalogo della progettazione strutturaleVitelmo Bertero



Il Progetto sismo-resistente

definizione dei requisiti prestazionali richiesti

definizione dei livelli di verifica

strutturale

determinazione delle azioni sismiche corrispondenti a ciascun livello di verifica

definizione degliobiettivi

definizione dei criteri di progetto

tipo di modellazione

strutturale

tipo di analisi strutturale

procedure di verifica

fase tecnica



Il Progetto sismo-resistenteRichieste della progettazione

1. Proteggere le vite umane

2. Proteggere le strutture strategiche

3. Limitare quanto possibile i danni alle strutture

Salvaguardia della Vita

Criterio Economico

Sicurezza strutturale



Il Progetto sismo-resistenteValutazione del progetto

Requisito 1: a fronte dei terremoti di più elevata intensità , e quindi rari, la costruzione deve resistere senza raggiungere il collasso.

Requisito 2: a fronte dei terremoti che hanno una significativa probabilità di verificarsi nella vita nominale, la costruzione, comprese le apparecchiature rilevanti, non deve subire danni gravi e interruzioni d'uso.

Requisito 3: particolari costruzioni devono essere dotate di un livello di protezione sismica più elevato in funzione della loro importanza e del loro uso




• Capacità di un elemento strutturale o di una struttura

l’insieme delle caratteristiche di rigidezza, resistenza e duttilità da essi

manifestate, quando soggetti ad un prefissato insieme di azioni

• Domanda di un elemento strutturale o su una struttura

l’insieme delle caratteristiche di rigidezza, resistenza e duttilità ad essi

richieste da un prefissato insieme di azioni



Comportamento

FragileComportamento

Duttile

Energia dissipata durante la sollecitazione sismica



Ordinario

Intermedio

Sismoresistente



Fy

dy dmax

Per alti valori di accelerazione del

terreno, la forza di inerzia non può

comunque superare il valore Fmax

mentre la struttura potrà sopportare

valori di accelerazione al piede tanto

più grandi quanto maggiore è la sua

duttilità cioè la sua capacità di

assorbire le deformazioni imposte

dal moto del terreno senza pervenire

a situazioni di crisi.

Da non sottovalutare…



Capacity Design - Gerarchia delle resistenze• Progettazione degli elementi strutturali fondata su un insieme di regole in

base alla funzione e all’importanza dell’elemento stesso nel complesso dellacostruzione.

• Permettere alla struttura di deformarsi oltre il limite elastico.


Stato Limite di Esercizio – SLE

Stato Limite di Danno – SLD

Stato Limite di salvaguardia della Vita – SLV

Stato Limite di Collasso - SLC





Capacity Design - Gerarchia delle resistenzeProgrammare la risposta strutturale sotto la sollecitazione sismica ed indurre laformazione di meccanismi di rottura in punti specifici e stabiliti.

Assegnare ad ogni elemento strutturale unaresistenza differenziata

Qualora sussista la possibilità di rotture alternative, devesempre avvenire prima quella caratterizzata da meccanismoduttile




Elementi primari• Elementi che devono assorbire le sollecitazioni orizzontali• In base all’orientamento varia la risposta in termini di rigidezza• Per garantire rigidezza in ogni direzione del sisma, è fondamentale

distribuire le rigidezze con regolarità


Regolarità nella distribuzione delle rigidezze


Scarsa rigidezza8 pilastri

Ottima rigidezza16 pilastri

<




• Duttilità del materiale

• Duttilità della sezione

• Duttilità dell’elemento strutturale

• Duttilità della struttura

Controllo della Duttilità


Progetto del nodo


Il nodo trave/pilastro deve essere dotato

di elevata rigidezza


Progetto del nodo


NODOORDINARIO

NODOSISMO-RESISTENTE


Progetto della trave


• [B] 𝒔 ≤ 𝒎𝒊𝒏𝒉𝒘

𝟒; 𝟐𝟒𝒅𝒃𝒘; 𝟐𝟐𝟓; 𝟖𝒅𝒃𝒍

• [A] 𝒔 ≤ 𝒎𝒊𝒏𝒉𝒘

𝟒; 𝟐𝟒𝒅𝒃𝒘; 𝟏𝟕𝟓; 𝟔𝒅𝒃𝒍

𝒅 ≤ 𝟓𝟎𝒎𝒎

• 𝒃𝒘, 𝒎𝒂𝒙 ≤ 𝒎𝒊𝒏 𝒃𝒄 + 𝒉𝒘; 𝟐𝒃𝒄• 𝒃𝒘, 𝒎𝒊𝒏 ≥ 𝟐𝟎𝟎𝒎𝒎

•𝒃𝒘

𝒉𝒘≥ 𝟎, 𝟐𝟓

𝒆𝒎𝒂𝒙 ≤𝒃𝒄𝟒

𝒅𝒃𝒘 ≥ 𝚽𝟔

𝒍𝒃𝒘 ≥ 𝟏𝟎𝚽

𝟏𝟑𝟓°

• [B] 𝒍𝒄𝒓 ≥ 𝒉𝒘• [A] 𝒍𝒄𝒓 ≥ 𝟏, 𝟓𝒉𝒘


Stato Limite di Esercizio - SLE


Permettono di verificare, in condizioni di esercizio, che la struttura nonmanifesti danni che possono influire negativamente sulla sua funzionalità.

Stato Limite Ultimo

Stato Limite di Esercizio Reversibile

Irreversibile

• Verifica alle TENSIONE di ESERCIZIO• Verifica di FESSURAZIONE• Verifica di DEFORMABILITA’• Verifica a FATICA• Verifica di VIBRAZIONE


SLE

PRINCIPI DI PROGETTAZIONE SISMO-RESISTENTEUSO EFFICIENZA ASPETTO DURABILITA’

FESSURAZIONE x x x

DEFORMAZIONE x x x

VIBRAZIONE x

FATICA x

CORROSIONE x x x

Tensioneacciaio

Diametro massimo delle barre [mm]

Spaziatura massimadelle barre [mm]

𝜎𝑠[𝑀𝑃𝑎]

𝑤𝑘

0.4 𝑚𝑚𝑤𝑘





0.2 𝑚𝑚

160 40 32 25 300 300 200

200 32 25 16 300 250 150

240 20 16 12 250 200 100

280 16 12 8 200 150 50

320 12 10 6 150 100 -

360 10 8 - 100 50 -



50

cm

4 F 14

3 F 14

30 cm

• Ambiente aggressivo• Armature poco sensibili• 𝜎𝑠 = 238.83 𝑀𝑃𝑎

𝒘𝟐 = 𝟎. 𝟑 𝒎𝒎

Tensioneacciaio

Diametro massimo delle barre [mm]

Spaziatura massimadelle barre [mm]

𝜎𝑠[𝑀𝑃𝑎]

𝑤𝑘






0.2 𝑚𝑚

160 40 32 25 300 300 200

200 32 25 16 300 250 150

240 20 16 12 250 200 100

280 16 12 8 200 150 50

320 12 10 6 150 100 -

360 10 8 - 100 50 -

ELEMENTOVERIFICATO

Esempio - SLE



USO EFFICIENZA ASPETTO DURABILITA’

FESSURAZIONE x x x

DEFORMAZIONE x x x

VIBRAZIONE x

FATICA x

CORROSIONE x x x

SLE

𝑳

𝒅< 𝒌𝜱 𝒇𝒄𝒌, 𝝆, 𝝆

′ 𝜶𝒔

Funzione del livello di tensione dell’acciaio allo SLE

Funzione della classe del CLS e dell’armatura

Funzione della tipologia del sistema strutturale



𝑳

𝒅< 𝒌𝜱 𝒇𝒄𝒌, 𝝆, 𝝆

′ 𝜶𝒔

𝜎𝑠 = 310 𝑁 𝑚𝑚2

𝑓𝑐𝑘 = 30 𝑁 𝑚𝑚2

SBALZO: 𝑘 = 0.4

Esempio - SLE

ELEMENTONON

VERIFICATO

𝜌 = 1.5%

𝑳

𝒅<8

𝑳

𝒅= 𝟏𝟎

DANNO STRUTTURALE



Meccanismi di collasso

DANNO STRUTTURALE



DANNO STRUTTURALE

Regole generali di analisi della lesione

• Fino a quando un quadro fessurativo, anche grave, intacca i muri ditamponamento e di tramezzatura, senza intaccare travi e pilastri, lacostruzione non corre alcun rischio di collasso

• Lesioni orizzontali e verticali nelle murature portate non devono esseremesse in connessione con deformazioni pericolose del telaio strutturale

• Lesioni inclinate a 45° nei muri sono sempre da addebitarsi ad anormalideformazioni della struttura portante

• Nel momento in cui i telai strutturali iniziano a lesionarsi, insorge unasituazione di pericolo e di non semplice prevedibilità

IL QUADRO FESSURATIVO è UNA CONSEGUENZA DEL DISSESTO E DELLECARATTERISTICHE DEI TELAI!



DANNO STRUTTURALE

a) Raggiungimento della capacità

portante della trave

b) Raggiungimento della capacità

portante del pilastro

c) Espulsione del copriferro nel nodo

d) Collasso per ancoraggio delle

armature della trave

e) Collasso a taglio del pannello nodale



DANNO STRUTTURALE

Nodi interni

Nodi esterni



DANNO STRUTTURALE

Cedimento di un pilastro



DANNO STRUTTURALE

Eccessiva deformabilità di un elemento

𝐿 > ℎ 𝐿 ≤ ℎ



DANNO STRUTTURALE

Carenza di armatura longitudinale

Carenza di armatura trasversale



DANNO STRUTTURALE

Taglio



DANNO STRUTTURALE

Collasso per schiacciamento



DANNO STRUTTURALE

Pressoflessione



DANNO STRUTTURALE

Meccanismo diPiano soffice


Danno su sbalzi

La componente verticale della sollecitazione sismica può essere trascurata nellamodellazione della risposta; diventa obbligatorio valutare il comportamento adoscillazioni verticali:• Per elementi orizzontali di luce superiore a 20 m• Per elementi in c.a.p.• Per elementi a sbalzo di luce superiore a 4 m• Per elementi spingenti• Per pilastri in falso


DANNO STRUTTURALE


Danno su sbalzi

DANNO STRUTTURALE


Metodi di intervento

DANNO STRUTTURALEVALUTAZIONE DELLA SICUREZZA

• Analisi delle carenze strutturali locali e globali• Analisi storica della struttura• Rilievo strutturale• Rilievo del quadro fessurativo• Analisi dello stato dei materiali

• Creazione del modello di calcolo e verifica

PROGETTO DELL’INTERVENTO• Progetto dell’intervento locale e globale

• Riparazione• Miglioramento• Adeguamento

• Verifica della struttura post-intervento

Rendere evidenti gliinterventi che lastruttura ha subitonel tempo



DANNO STRUTTURALEAumento della resistenza

Duttilità invariata

Aumento della duttilitàResistenza invariata

È fatto obbligo di procedere alla valutazione della sicurezza e, qualora necessario, all’adeguamento dellacostruzione, a chiunque intenda:• Sopraelevare la costruzione• Ampliare la costruzione mediante opere strutturalemnte connesse alla costruzione• Apportare variazioni di classe e/o di destinazione d’uso che comportino incrementi dei carichi globali in fondazione

superiori al 10%; resta comunque fermo l’obbligo di procedere alla verifica locale delle singole parti e/o elementi dellastruttura, anche se interessano porzioni limitate della costruzione

• Effettuare interventi strutturali volti a trasformare la costruzione mediante un insieme sistematico di opere cheportino ad un organismo edilizio diverso dal precedente. In ogni caso il progetto dovrà essere riferito all’interacostruzione e dovrà riportare le verifiche dell’intera struttura post-intervento, secondo le indicazioni delpresentecapitolo. Una variazione dell’altezza dell’edifici, per realizzazione di cordoli sommitali, sempre che restiimmutato il numero di piani, non è considerata sopraelevazione o ampliamento, ai sensi dei punti a) e b). In tal casonon è necessario procedere all’adeguamento, salvo che non ricorrano le condizioni di cui ai precedenti punti c) o d)



DANNO STRUTTURALE

8.4.1 - AdeguamentoCostruzioni esistentiCAP. 8

Rientrano negli interventi di miglioramento tutti gli interventi che siano comunque finalizzati ad accrescere lacapacità di resistenza delle strutture esistenti alle azioni considerate. È possibile eseguire interventi dimiglioramento nei casi in cui non ricorrano le condizioni specificate al paragrafo 8.4.1. Il progetto e lavalutazione della sicurezza dovranno essere estesi a tutte le parti della struttura potenzialmente interessateda modifiche di comportamento, nonché alla struttura nel suo insieme.



DANNO STRUTTURALE

8.4.2 - MiglioramentoCostruzioni esistentiCAP. 8

In generale, gli interventi di questo tipo riguarderanno singole parti e/o elementi della struttura einteresseranno porzioni limitate della costruzione. Il progetto e la valutazione della sicurezza potranno essereriferiti alle ole parti e/o elementi interessati e documentare che, rispetto alla configurazione precedente aldanno, al degrado o alla variante, non siano prodotte sostanziali modifiche al comportamento delle altre partie della struttura nel suo insieme e che gli interventi comportino un miglioramento delle condizioni disicurezza preesistenti.

8.4.3 – Riparazione/rinforzo o intervento locale


C.F.R.P.

DANNO STRUTTURALECarbon Fiber Reinforced Polymer


Controventi orizzontali

DANNO STRUTTURALE


Isolatori sismici

DANNO STRUTTURALE

GRAZIEPER

L’ATTENZIONE!

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