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Università degli Studi di Cassinog

Facoltà di IngegneriaFacoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in IngegneriaCorso di Laurea in Ingegneria Civile

Progetto di StruttureProgetto di StruttureLaurea Specialistica in Ingegneria Civile – A.A.2011/12p g g

Dott.Ing. E. Grande

PROGETTO IN ZONA SISMICA DI EDIFICI IN C.A. CON STRUTTURA INTELAIATA E CON STRUTTURA MISTASTRUTTURA 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 )fondazioni,ecc.)

• metodi di analisi strutturale (SAP2000)

• strutture in acciaio• strutture in acciaio

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

TESTI DI RIFERIMENTO[1] M Pagano Teoria degli Edifici Edifici in c a Liguori Editore 1977[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[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 2004edifici 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

SISTEMI STRUTTURALI PER EDIFICISISTEMI STRUTTURALI PER EDIFICI

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

Assemblaggio diAssemblaggio di differenti materiali che danno luogo alle parti non strutturali e alle parti strutturali dell’edificio ( t tt t t )

5(struttura portante).

Si t t tt l di difi i

1. Il sistema edificio: aspetti generaliSistema 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.

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F i i d l i t t tt l di difi i1. Il sistema edificio: aspetti generaliFunzioni del sistema strutturale di un edificio:

Portare i carichi verticali statici e dinamici;Portare i carichi orizzontali dovuti al vento e alle azioni sismiche;R i t ll t i i h l i i i diResistere alle tensioni che nascono per le variazioni di temperatura;Resistere alle esplosioni interne o esterne all’edificio eResistere alle esplosioni interne o esterne all edificio e ai carichi dovuti ad eventuali impatti.

F i i d l i t t tt l di difi i1. Il sistema edificio: aspetti generaliFunzioni del sistema strutturale di un edificio:

Inoltre devono rispondere ad altri requisiti indipendentip q pdalle problematiche di carattere strutturale:

vincoli architettonici;costi di realizzazione e gestione;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 unicoÈ difficile fornire una classificazione basata su un unico parametro ma è necessario tenere conto di differenti parametri:

Numero di piani o altezza dell’edificio;D ti i d’ d ll’ difi iDestinazione d’uso dell’edificio;Materiali costituenti;Dettagli costruttivi.

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Corso di Progetto di Strutture – A.A. 2008/09 – Dott.Ing. E. GRANDE

In ogni caso, al fine di definire le caratteristiche e lanecessità di utilizzare una tipologia strutturale piuttosto chep g pun’altra, è necessario esaminare i meccanismi resistenti diun edificio nei confronti delle azioni orizzontali.

Analogia con la mensola incastrata al suolo: meccanismi resistenti

• ribaltamento della struttura ⇒ meccanismo resistente di tipo flessionale

• tranciamento della struttura ⇒ meccanismo resistente di tipo tagliante

Meccanismo resistente a flessione (Bending)


Meccanismo resistente a flessione (Bending)

resistere al ribaltamento;resistere alle tensioni di trazione eresistere alle tensioni di trazione e

compressione che si sviluppano negli elementi;

non avere eccessive deformazioninon avere eccessive deformazioni laterali.

Meccanismo resistente a taglio (racking)g ( g)

resistere nei confronti del tranciamento;

evitare il superamento del limite elastico nelle colonne.

2. Tipologie strutturali per edificiClassificazione dei sistemi strutturali:

EDIFICI CON STRUTTURA IN Cemento Armato.EDIFICI CON STRUTTURA IN Cemento Armato.

Classificazione dei sistemi strutturali:

Classificazione fornita in ambito normativo Classificazione fornita in ambito normativo (DM08 (DM08 –– 7.4.3.1)7.4.3.1)

Strutture a telaio•Strutture a telaio

•Strutture a paretip

•Strutture miste telaio-pareti

•Strutture deformabili torsionalmente

•Strutture a pendolo inverso12

•Strutture a pendolo inverso

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

Tipologia a TELAITipologia a TELAI

Edifici con Struttura in c.a.:

nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che orizzontali è affidata principalmente a telai spaziali, aventi orizzontali è affidata principalmente a telai spaziali, aventi resistenza a taglio alla base ≥ 65% della resistenza a taglioresistenza a taglio alla base ≥ 65% della resistenza a taglioresistenza a taglio alla base ≥ 65% della resistenza a taglioresistenza a taglio alla base ≥ 65% della resistenza a tagliototale;totale;

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TELAIOTELAIO

Costituito dall’assemblaggio di TRAVI e14

Costituito dall assemblaggio di TRAVI e PILASTRI.




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


Tipologia a Tipologia a PARETIPARETI


strutture a paretistrutture a pareti, nelle quali la resistenza alle azioni sia verticali che orizzontali è affidata principalmente a pareti singole o accoppiate aventi resistenza aa 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.

t di f t l’i i di16

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


Tipologia a PARETI e mista TELAITipologia a PARETI e mista TELAI--PARETIPARETI


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%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;pareti;

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Elemento resistente predominante: Elemento resistente predominante: pareteparete

18

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




Elemento resistente predominante: Elemento resistente predominante: pareteparete

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


Tipologia Tipologia deformabili deformabili torsionalmentetorsionalmente


‘nucleo’ costituito dall’assemblaggio didall assemblaggio di pareti

Sono deformabili torsionalmente ovvero la rigidezza20

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

2. Tipologie strutturali per edificiClassificazione dei sistemi strutturali:EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.Classificazione dei sistemi strutturali:

21classificazione

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

2. Tipologie strutturali per edificiClassificazione dei sistemi strutturali:

EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.

Classificazione dei sistemi strutturali:

Principalmente si hanno le seguenti tipologie Principalmente si hanno le seguenti tipologie strutturali:strutturali:

•Strutture a telaio (a nodi rigidi o mista)

St tt t ti ( di d l i)•Strutture a controventi (a nodi pendolari)

• Controventi concentrici

• Controventi eccentrici

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Nodo rigido ⇒ trave incastrata alla colonna


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 acciaioComportamento 3D


Comportamento 3D

Comportamento 2DComportamento 2D

TIPOLOGIA A TELAI:


TELAI CON NODI RIGIDILa componente della deformata dovuta adallungamento ed accorciamento delleallungamento 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

A seguito della componente di raking il

accorciamento delle colonne.

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

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 assorbito(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 modofitta 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 comportaglobale 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 comportanodirezione 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 Tubo esterno: interasse colonne 1 metro• 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.es e do o pe p ù p a de a s u u a

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

TIPOLOGIA A BUNDLED TUBE


costituita 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 siIl 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 CARPENTERIAIMPOSTAZIONE DELLA CARPENTERIA

Il criterio BASE per l’impostazione della struttura di un edificio in zona sismica è


p pla 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 i d i d ll’ i i i i l bili i i i i h d lli i iindotti dall’azione sismica simulabili tramite azioni statiche su modelli piani.

COMPORTAMENTO PREVEDIBILE t tt d t t di l ità i i tCOMPORTAMENTO 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 interazioniesaminato 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 ( q ) p pnormativa si riferisce proprio a questo comportamento modale, intermedio tra una deformata flessionale ed una tagliante.

REGOLARITA’ IN PIANTA comporta:


pmodi 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)

it di l ti lt iù i idi d li•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•distribuzione simmetrica dei tompagni•posizione baricentrica delle scale

REGOLARITA’ IN ELEVAZIONE comporta:


pil 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

it i t i i di l ti•evitare interruzioni di elementi non strutturali molto rigidi•EVITARE BRUSCHE VARIAZIONI DI MASSA E/O RIGIDEZZAMASSA E/O RIGIDEZZA


CRITERI PER L’INSERIMENTO DEI TELAI PIANIGli insiemi dei telai piani disposti lungo ciascuna delle direzioni principali dovranno quindi:delle direzioni principali, dovranno quindi:•dar luogo a rigidezze laterali confrontabili per l’edificio•dar luogo ad una distribuzione di elementidar 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 unadar luogo in ciascuna direzione ad una distribuzione simmetrica di elementi resistenti alle azioni orizzontali; in generale occorre rendere coincidenti le posizioni del baricentro delle prigidezze (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)

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

1. pilastri asse forte-travi emergenti;

2. pilastri asse forte-travi a spessore;

3. pilastri asse debole-travi emergente; rigidezza4. pilastri asse debole-travi a spessore.

Alcuni criteri da tener presente nell’impostazione della carpenteria:


p p p•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

i l f tt t d ll ità i t ti è i t il t irazionale 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•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 uniformeconfrontabili: 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(*)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 strutturaa 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 ordituraelementi 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).appoggiate: Mmax qL /8, fmax 5/384 ql /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 , p(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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