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Sommario della lezione:

0. Programma delle esercitazioni1. Concetti generali sulla prefabbricazione2. I casi in cui il progettista deve considerare la

prefabbricazione come tecnologia costruttiva3. I sistemi di prefabbricazione4. I principali elementi strutturali e di tamponamento

prefabbricati nelle diverse tipologie edilizie

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0-Programma delle esercitazioniOrario delle esercitazioni:Martedì dalle 14.15 alle 16.15aule: I 1.1, D3.1

E-mail:dozio@stru.polimi.it

Libri di testo propedeuticiper le esercitazioni:

Cemento armato-Calcolo agli stati limiteG.Toniolo Vol. 2A-2B Zanichelli

Meccanica delle struttureLeone Corradi dell’acquaMcGraw Hill

01 – 09/10/07 02 – 09/10/07 03 – 16/10/07 04 – 16/10/07

Edifici industriali: descrizione degli elementi strutturali e tipologie costruttive. Criteri generali di progetto. Edifici multipiano: descrizione degli elementi strutturali e tipologie costruttive. Criteri generali di progetto. - Cenni normativi.

05 – 23/10/07 06 – 23/10/07 07 – 30/10/07 08 – 30/10/07 09 – 06/11/07 10 – 06/11/07

La trave prefabbricata precompressa La trave prefabbricata precompressa La trave prefabbricata precompressa La trave prefabbricata precompressa La trave prefabbricata precompressa La trave prefabbricata precompressa

11 – 13/11/07 12 – 13/11/07

Visita in stabilimento Visita in stabilimento.

13 – 20/11/07 14 – 20/11/07 15 – 30/11/07 16 – 30/11/07

Calcolo di redistribuzione di forze orizzontali Calcolo di redistribuzione di forze orizzontali Calcolo di redistribuzione di forze orizzontali Calcolo di redistribuzione di forze orizzontali

17 – 04/12/07 18 – 04/12/07 19 – 11/12/07 20 – 11/12/07

Calcolo di instabilità non-linearità geometrica Calcolo di instabilità non-linearità geometrica Calcolo di instabilità non-linearità geometrica Calcolo di instabilità non-linearità geometrica

21 – 18/12/07 22 – 18/12/07 23 – 08/01/08 24 – 08/01/08

Analisi sezionale non lineare Analisi sezionale non lineare Analisi sezionale non lineare Analisi sezionale non lineare.

25 – 15/01/08 26 – 15/01/08 27 - 22/01/08 28 - 22/01/08 29 – 29/01/08 30.-.29/01/08

Calcolo di instabilità di un telaio: non-linearità meccanica (ing.esterno) Calcolo di instabilità di un telaio: non-linearità meccanica (ing.esterno Eventuale recupero

Esercitazioni su web:ftp.stru.polimi.it/corsi/Strutture prefabbricate 1

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La prefabbricazione è un mezzo per raggiungere un elevato livello di produzione industrializzata nelle costruzioni. Perchè ciò sia possibile la prefabbricazione richiede:

- produzione di elementi di grandi dimensioni che possono essere montati rapidamente senza impiego di molte ore lavorative;

- produzione di elementi dotati di un alto livello di finitura sempre allo scopo di ridurre l’impiego di lavoro manuale per eventuali successivi lavori di completamento

1-Concetti generali della prefabbricazione

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In un edificio prefabbricato si può definire il grado di prefabbricazione p

ove Cpref indica il costo degli el. pref. a piè d’operaCmont indica il costo del montaggioCfinit indica il costo delle finiture

finitmontpref

pref

CCCC

p++

=

Tipi di prefabbricazione-prefabbricazione pesante

-Elementi portanti

-prefabbricazione leggera-Pannelli di facciata-Predalles

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Vantaggi delle strutture prefabbricate

• Aumento della produttività • Riduzione dei costi di fabbricazione• Riduzione dei tempi di fabbricazione:

la velocità di esecuzione può aumentare tenendo conto anche di eventuali attività poste in parallelo – getto di fondazione, squadre su più piani

• Indipendenza dei lavori da molti fattori ambientali

• Impiego di materiali speciali

Necessità di progettazione di dettaglio preventiva determinante ai fini della qualità

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2-I casi in cui il progettista deve considerare la prefabbricazione come tecnologia costruttivaPiante regolari con elevati gradi di ripetibilità:

1.delle tipologie nodali, 2.delle luci,3.degli elementi strutturali.

In assenza di queste condizioni si può sempre ricorrere ad una prefabbricazione parziale. Il progettista vi ricorrere perché ha i seguenti vantaggi :

•ottimizzazione strutturale grazie alla precompressione ed all’uso di materiali avanzati;

•ottimizzare l’aspetto ed il grado di finitura (progettista può ispezionare gli elementi prima che questi siano trasportati in sito e montati);

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•rispetto delle tolleranze: minimizzazione e controllo statistico, sebbene il progettista debba considerare quelle relative al montaggio;

•progetto degli elementi deve tenere in conto la presenza degli impianti

•assicurazione della qualità e la certificazione del prodotto in stabilimento:

•a) con programmi di controllo in continuo,•b) da un piano di certificazione con supervisione di un organo indipendente (ICMQ).

I fattori che influenzano la qualità sono:completezza degli ordini di lavoro e dei disegni dei prodotti,test ed ispezione dei materiali selezionati per l’uso,qualità delle attrezzature meccaniche,proporzioni e cura del mix design,procedure di sformo, di stoccaggio e di maturazione,cura della maturazione sulle piste di precompressione,controllo delle dimensioni e delle tolleranze,cura nel trasporto e nel montaggio.

Le norme di riferimento sono le ISO 9001 e le EN 29001

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•Design by testing: possibilità di testare il comportamento del manufatto per quantificare la bontà dei modelli di calcolo

Bacino di utenza:Trasporto: •su gomma 150-350 km•su rotaia o via acqua ≤ 1000 km

Considerazioni preliminari di progettoChi progetta?

Al progettista si affianca l’ingegnere della ditta di prefabbricati in modo da trarre i massimi vantaggi dalla tecnologia produttiva.

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Principali tappe con riferimento ad un edificio per uffici:

1. tracciamento della pianta distributiva del generico piano individuando la circolazione orizzontale e verticale

2. selezione del sistema di prefabbricazione (es.: sistema ad ossatura portante con pannelli di facciata appesi, scelta della griglia travi-pilastri (es.:7.2x7.2 e 7.2x9.6)

3. scelta del posizionamento degli elementi di stabilizzazione del sistema

4. scelta e predimensionamento di pilastri, travi e solai basati sucataloghi dei prefabbricatori

5. scelta degli elementi di facciata

Fasi iniziali di progetto (esempio):

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Ogni prefabbricatore vanta un proprio sistema, ma il progettista deve operare una classificazione generale che va poi specializzata.

Il sistema selezionato condiziona le scelte successive.

E’ poi possibile operare con costruzioni ‘miste’ da non confondere con ‘composite’. Le strutture prefabbricate risultano compatibili con:- cls gettato in opera- muratura- lamiere grecate di copertura, profili di acciaio- facciate realizzate con altri materiali (lamiera grecata, ecc.)- legno

3-I sistemi di prefabbricazione

1-

3-

2-

Premessa:

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Strutture ibride

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• La stabilità e la sicurezza devono essere assicurate in tuttele fasi della costruzione, anche quando alcune connessioni non risultano attive.

Sistemi di stabilizzazione

• La stabilità dell’assieme nei confronti delle azioni orizzontalirichiede spesso l’introduzione di appositi componenti.

• I più comuni sistemi di stabilizzazione sono:

• le colonne e i muri agenti a mensola, • nuclei (cores) scatolari agenti a mensola (L,T,U o

combinazioni), • funzionamento a telaio con passaggio nei nodi di flessione e

torsione (sistemi ad H o particolari connessioni)

4-

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I sistemi strutturaliI sistemi strutturali presenti nelle consuete struttureprefabbricate sono in genere così classificabili :• sistemi a telaio (frame systems)• sistemi controventati (braced skeletal systems)• sistemi a pannelli portanti (bearing walls)• sistemi scatolari (cell systems; boxes, U,L,T units)• facciate (facades)• orizzontamenti prefabbricati (precast floors and roofs)

FIP, Planning and design handbook on precast building structures, ed. SETO, London, 1994.

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Edifici industriali:•2 ordini di travatura•Lastre di copertura realizzate con qualunque tipo di materiale•Minima azione di diaframma nella copertura

Sistemi a telaio (frame systems)

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Edifici industriali:• travi secondarie ed elementi a doppio T nella copertura con minima

azione di diaframma in direzione orizzontale

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Edifici pluripiano intelaiati senza controventi sono realizzabili fino ad un massimo di 12m. Richiedono piccole forze nei giunti e azioni minime nell’azione di diaframma.

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L’azione di diaframma necessita iltrasferimento delle:- forze di taglio dai diaframmi- e nei giunti longitudinali

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Edifici industriali:• linea separata di colonne per il piano mezzanino• piccole forze nei giunti e minima azione di diaframma

nella copertura

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Sistema prevalentemente usato per piccoli centri commerciali

Sistemi controventati (braced skeletal systems)

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Shear wall

Core

9.6

7.2

7.27.27.27.2 7.2

21Compression

Wind pressure

Compression

Tension

Tension

Shaft

Shear wallDiaphragms

Wind suction

Wind suction

Wind suctionShear forces

Shear forces

22Edifici ad uso uffici

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Sistemi usati per piccoliedifici industriali

Facciate portanti (facades)

La stabilità della struttura richiede forze di taglioelevate nei giunti del piano di copertura

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Wind suction

Wind suction

Wind suction

Wind pressure

TensionCompression Shear

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La stabilità della struttura è basata su forze agenti nel piano degli elementi bidimensionali e dalle colonne interne (sistemacombinato):• forze elevate nei giunti• copertura con funzione di diaframma

Sistemi usati per grandiedifici industriali

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La stabilità della struttura è affidata ad elementi che reagiscono nel loro piano• Trasferimento di forze elevate nei giunti• I piani agiscono come diaframmi• I pannelli di facciata devono avere connessioni rigide con i

pannelli verticali

Sistema usato per edificiresidenziali e ad uso uffici

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Sistema usato per edifici residenziali e ad uso uffici limitati a due o tre piani

• La stabilità della struttura è affidata ad elementi chereagiscono nel loro piano

• I pannelli di facciata sostengono i piani

28La stabilità della struttura è affidata ad elementi che reagiscono nel loro piano

• I pannelli di facciata sostengono i piani !

Sistema usato per edifici residenziali e ad uso uffici limitati a due o tre piani

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Precast construction in Norway - systems - shear wall structures

Office building

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Precast construction in Norway - systems - shear wall structures

Office building

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Precast construction in Norway - systems - shear wall structures

The stability of the structure is based on forces in the elements own plane:- Requires transfer of relatively large forces in the joints.- The floors must act as diaphragms.- The steel beams may serve as tie reinforcement in the floor diaphragms.

System used for office buildings.

A very common method of construction in Scandinavia during the last decade has become hollow core slabs on steel frames:

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Precast construction in Norway - systems - shear wall structures

The shear walls are still normally precast in these steel frames.

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La distribuzione delle forze orizzontali dipende:

• rigidezza delle componenti di stabilizzazione• risposta deformativa nel piano• posizione dei componenti di stabilizzazione(possibili effetti torsionali)

• posizione dei giunti di dilatazione (ogni 80 m circa negli orizzontamenti se la struttura è rettangolare o piana o ogni 60 m se la strutturanon è rettangolare a seconda delle condizioniclimatiche, del tipo di struttura, del tipo di fondazione, …)

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Integrità strutturale

Occorre minimizzare a livello di progetto glieffetti di danni accidentali (cedimenti, esplosioni, collisioni di veicoli o aerei, venti eccezionali):• eliminando laddove possibile rotture locali• evitando situazioni di collasso progressivo!!!

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4- Principali elementi strutturali e di tamponamentoprefabbricati nelle diverse tipologie edilizie

• edilizia residenziale mono(bi)-familiare (housing)• edilizia residenziale plurifamiliare (apartment buildings)• edifici ad uso terziario (utility buildings)• edilizia industriale ed espositiva (large free-space buildings)• parcheggi (car parks)• edilizia sportiva (sports arenas)

Tipologie edilizie nella prefabbricazione:

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Casco systems

Edilizia residenziale mono(bi)-familiare (housing)

37Family house Germany

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Edilizia residenzialeplurifamiliare

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Ruolo determinante del pannello di facciata

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Costruzione mista(legno + cls)

Edifici ad uso terziario(utility buildings)

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Edifici ad uso terziario(utility buildings)

230-350

alto grado di flessibilità:- evitare muri portantiinterni- soluzione ad ossaturaportante (trave-colonna) soddisfa tale requisito con eventuale presenza di muridi taglio e nuclei controventanti autoportanti

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Edilizia industriale ed espositiva(Large free-space buildings)

Necessità di spazi liberi senzacolonne impone:- sistemi a telaio- o con pareti esterneportanti

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Elementi strutturali

l/h = 20-30

l/h = 24-38l/h = 40-45

l/h = 16-33

l/h = 13-21

l/h = 9-16

l/h = 13-25

l/h = 15-30

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Strutture alleggerite

Confronto trasoluzioni alternative

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Parcheggi(car parks)

l/h=10-15

l/h = 45-60

l/h = 22-30

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Edilizia sportiva(sport arenas)

- Grande varietà di soluzioni che siadattano all’architettura

- Elementi tipici (travi ad anello, gradinate, mensole rastremate, elementi speciali)

Coperture strallate