Università degli Studi di Università degli Studi di CassinoCassino
Progetto di Progetto di StruttureStruttureProgetto di Progetto di StruttureStrutturegggg
C i i i A i iCostruzioni in Acciaio
di i Ernesto Grandea cura di: ing.Ernesto [email protected] // d t i it/ t dhttp://www.docente.unicas.it/ernesto_grande
Testi consigliatiTesti consigliati
1. G. Ballio, F.M. Mazzolani “Strutture in acciaio”.
2. G. Ballio, C. bernuzzi “Progettare costruzioni in acciaio. Normativa europea. Stati limite. Sagomario. Software per il calcolo”
3. E.F. Radogna “Tecnica delle costruzioni. Fondamenti delle costruzioni in acciaio”. Masson editoriale ESA
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aspetti generali
Il “materiale”: elevato rapporto resistenza / peso
Strutture più leggere
Problemi di stabilitàProblemi di stabilità
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aspetti generali
VANTAGGI• riciclabilità del materiale
•rapidità di esecuzione delle strutturerapidità di esecuzione delle strutture
• la capacità dissipativa e la duttilità
e molti altri...
200
300
400
[kN
m] TSW-BCC10
WW-BCC8
200
-100
0
100
-10% -5% 0% 5% 10%
d/HM
-400
-300
-200
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aspetti generaliSVANTAGGI• trattamenti delle superfici
i t l f• resistenza al fuoco• la scarsa “cultura” in Italia
ture 1.0 Light
Weighteture 1.0 Light
WeightLight Weighte
Tem
pera
t
0.8
0 6
Weight Concrete
mpe
ratu
r e
Tem
pera
t
0.8
0 6
Weight ConcreteWeight Concrete
mpe
ratu
r e
Hig
her T
0.4
0.6SteelNormal
Weight ConcreteR
oom
Te
Hig
her T
0.4
0.6SteelSteelSteelNormal
Weight Concrete
Normal Weight ConcreteR
oom
Te
0 400 800 1200 1600 2000engt
h a t
0.2
0ngth
at R
oF0 400 800 1200 1600 2000engt
h a t
0.2
0ngth
at R
oF0 400 800 1200 1600 2000
Stre
Str e
oFoCoC
0 400 800 1200 1600 2000
Stre
Str e
oFoCoC
EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.
Houston: First City National B k B ildiBank Building
6 piani
Daley Center Building (31 piani)
EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.
CBF K i l i l 45°CBF a K sui lati – angolo a 45°(St.Louis – Missouri)
British Columbia Bldg for British Columbia Bldg for British Columbia Bldg. for British Columbia Bldg. for EXPO’86 (Vancouver)EXPO’86 (Vancouver)
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aspetti generaliClassificazione dei sistemi strutturali:
Principalmente si hanno le seguenti tipologie Principalmente si hanno le seguenti tipologie strutturali:•Strutture a telaio (a nodi rigidi o mista)•Strutture a controventi (a nodi pendolari)( p )
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aspetti generali•Strutture a controventi (a nodi pendolari)
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aspetti generali•Strutture a controventi (a nodi pendolari)
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aspetti generali
Differente meccanismo resistente nei confronti delle azioni orizzontali
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Materiali e Prodotti
Gli acciai al carbonio sono leghe ferro-carbonio conpercentuale di carbonio inferiore al 2%.
Acciai da carpenteria → contenuto di carbonio 0.17% -0.22%
di lifi i itprove di qualificazione eseguite su:
Pro ette di forma e dimensioni nificateProvette di forma e dimensioni unificateElementi strutturali o parti di elementi
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Materiali e Prodotti
Principali proprietà:
T i di tt t iTensione di rottura a trazione
Tensione di snervamentoTensione di snervamento
Resilienza
Allungamento percentuale a rottura
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Materiali e ProdottiPROVA DI TRAZIONE
Si esegue su provini di dimensioni normalizzateSi esegue su provini di dimensioni normalizzatericavati da profilati o lamiere.
Fase 1. andamento lineareFase 2. snervamentoFase 3. incrudimento e
strizioneFase 4. tratto discendente
Da questa prova si ricava: la tensione di snervamento e ditt il d l di l ti ità l’ ll t tt lrottura, il modulo di elasticità, l’allungamento a rottura e la
contrazione trasversale.
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Materiali e Prodotti
PROVA DI DUREZZA’ d ll llE’ una misura della resistenza opposta allapenetrazione di un altro corpo.E’ fornita dal rapporto tra la forza applicata è l’areadell’impronta lasciata dall’oggetto battente.p gg
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Materiali e Prodotti
PROVA DI PIEGAMENTOE’ una prova di flessione in campo plastico.Consiste nell’inflettere il provino in modo tale daprealizzare una cerniera plastica e farla ruotare fino ache la parte di destra e quella di sinistra raggiunganoche la parte di destra e quella di sinistra raggiunganoun angolo prefissato. Non si devono avere néscrepolature né cricchescrepolature né cricche.
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Materiali e Prodotti
PROVA D’URTOE’ necessaria per scongiurare fenomeni fragili sottoE’ necessaria per scongiurare fenomeni fragili sottodeterminate condizioni (stati pluriassiali, bassetemperature, urti).Gli acciai devono possedere una buona tenacità cheviene misurata tramite la “resilienza”, ovvero ilrapporto tra l’energia di rottura e l’area del provino.rapporto tra l energia di rottura e l area del provino.
Prova con il pendolo di CharpyProva con il pendolo di Charpy
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Materiali e Prodotti
PROVA DI FATICAPROVA DI FATICASi può avere rottura del campione sotto un certonumero di cicli di carico e scarico tali da non causarelivelli di tensione preoccupanti in campo statico.p p p
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEMateriali e Prodotti
rrmmaattttiivvaaaa
sono anche funzione della sezione!!
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Materiali e Prodotti
I prodotti industriali in acciaio si dividono in duepcategorie:a Laminati a caldo (profilati barre piatti lamiere ea. Laminati a caldo (profilati, barre, piatti, lamiere e
profilati cavi).
b. Lamiere grecate e profilati formati a freddo
I primi sono di uso generale, mentre i secondipossono essere utilizzati nelle costruzioni correntievitando quelle zone in cui i carichi possono darevitando quelle zone in cui i carichi possono darluogo a deformazioni locali.
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Materiali e Prodotti
Acciai laminati a caldo prodotti in:1) Profilati2) Barre3) Larghi piatti4) Lamiere4) Lamiere5) Profili cavi
Tra i profilati più utilizzati negli edifici:1) Profilati a doppio T ad ali larghe, serie leggera (HEA)) f l d d l l h l ( )2) Profilati a doppio T ad ali larghe, serie normale (HEB)3) Profilati a doppio T ad ali larghe, serie pesante (HEM)4) P fil ti d i T d li t tt t t (IPN)4) Profilati a doppio T ad ali strette e rastremate (IPN)5) Profilati a doppio T ad ali medie e parallele (IPE)
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste semplici
Sollecitazioni, Modelli e VerificheSollecitazioni, Modelli e Verifiche
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste semplici
Aste compresse V ifi h di STABILITA’V ifi h di STABILITA’Verifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’Aste snelle soggette a forze normali di compressioneAste snelle soggette a forze normali di compressione
Equazioni di equilibrio riferite alla configurazionedeformata (teoria del II ordine).
E’ necessario inoltre:Considerare l’effetto delle imperfezioniConsiderare l effetto delle imperfezioniIl comportamento ‘non elastico’ dell’acciaio
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste semplici
Aste compresse V ifi h di STABILITA’V ifi h di STABILITA’Verifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’
La crisi dell’elemento non avviene per formazione diun meccanismo legato alle cerniere plastiche ma perun meccanismo legato alle cerniere plastiche ma perinstabilità dell’equilibrio.
Nota:•Il legame carichi spostamenti non è lineare;Il legame carichi spostamenti non è lineare;•Le imperfezioni impediscono il fenomeno dibiforcazione dell’equilibrio che si ha invece nel casobiforcazione dell equilibrio che si ha invece nel casodi asta ideale.
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste semplici
Aste compresseV ifi h di STABILITA’V ifi h di STABILITA’Verifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’IMPERFEZIONIIMPERFEZIONI ASTEASTE INDUSTRIALIINDUSTRIALI
Le imperfezioni che caratterizzano le aste reali danno
IMPERFEZIONIIMPERFEZIONI‐‐ ASTEASTE INDUSTRIALIINDUSTRIALI
luogo a valori dei carichi critici minori di quelli relativial caso di asta ideale (Eulero).al caso di asta ideale (Eulero).
•Imperfezioni geometriche: linea d’asse pre‐Imperfezioni geometriche: linea d asse predeformata (L/2000 – L/500)
•Imperfezioni del materiale: tensioni residue e•Imperfezioni del materiale: tensioni residue edispersioni dei valori della tensione di snervamento.
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste semplici
AstaAsta idealeideale:: PP
•Configurazione rettilinea•Sezione costante•Carico centrato•Materiale elasticoMateriale elasticocaricocarico criticocritico→→ 2 2/cr cP EI lπ=
dove lc è la lunghezza libera di inflessione:c g•Asta con due cerniere lc=l•Asta con due incastri l =0 5l•Asta con due incastri lc=0.5l•Asta con un incastro lc=2l
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste semplici
AstaAsta idealeideale:: PP
2P E2 2, /cr E cP EI lπ=
2,
, 2cr E
cr EP E
Aπσλ
= =A λ
σcr
fyNon è più valida la y
formula di Eulero
λy λ
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste semplici
Aste compresseAste compresseVerifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’ffAstaAsta realereale:: effettoeffetto delladella nonnon elasticitàelasticità
Per λ<λy sono presenti differenti teorie
T i di E KTeoria di Engesser‐Karmansi considera un modulo ridotto che dipende dallaforma della sezione oltreché dal modulo tangente edal modulo elastico. Si continua però a considerarel’asta rettilinea.
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste semplici
Aste compresseVerifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’AstaAsta realereale:: effettoeffetto delladella nonnon elasticitàelasticità
Per λ<λy sono presenti differenti teoriePer λ<λy sono presenti differenti teorie
Teoria di Shanley‐Karmansi considera l’asta rettilinea ma con forza dicompressione esterna che aumenta senza averpraggiunto il carico critico.In questo caso come modulo ridotto vieneqconsiderato solo quello tangente.
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste semplici
AAste compresseVerifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITAVerifiche di STABILITAAstaAsta realereale:: effettoeffetto delladella nonnon elasticitàelasticitàAstaAsta realereale:: effettoeffetto delladella nonnon elasticitàelasticità
Le prove sperimentali condotte da Stussi (1953)provarono che la teoria di Shanley‐Karman fornisce illimite inferiore della tensione critica, mentre la teoria di,Engesser‐Karman fornisce il limite superioredifficilmente però raggiungibile da un’asta reale a causad c e te pe ò agg u g b e da u asta ea e a causadelle imperfezioni geometriche.
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste semplici
AstaAsta realereale:: effettoeffetto delledelle imperfezioniimperfezioni geometrichegeometriche
In questo caso si è in presenza di una sollecitazionecomposta (sforzo normale e flessione)
L’equazioni di equilibrio non è più omogeneaLequazioni di equilibrio non è più omogenea
maxN MA N
σ = +⎛ ⎞
,1el
cr E
A NWN
⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
\\ Dove:M è il momento del primo ordine1‐N/Ncr,E è un coefficiente per passare al momento di IIordine
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE
Aste sempliciAstaAsta realereale:: effettoeffetto delledelle imperfezioniimperfezioni geometrichegeometriche
Per costruire le curve di stabilità:Per costruire le curve di stabilità:
1N M N e A⎛ ⎞⎜ ⎟⋅⎜ ⎟
max max
,,
1: 111
y
elcr Ecr E
N M N e Afissiamo y NA A INW NN
σ σ ⎜ ⎟= = + = +⎜ ⎟⎛ ⎞ −− ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠
2
1 Ey m
E mm σσ σσ σ
⎛ ⎞= +⎜ ⎟−⎝ ⎠ σcr
2 0:
/
m mC Ddove
N A
σ σ
σ
− + =
= f2
max2 2
/
/ ( / )
/
m
E
N A
m e y
E
σ
ρ
σ π λ
=
=
fy
(1 )y E
E y
C m
D
σ σ
σ σ
= − +
= λy λ
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEAste semplici
rrmm
APPROCCIOAPPROCCIO DELLEDELLE NORMATIVENORMATIVEaattttiivvaa
ykA fN
λλ λλ
⋅= → =
aa
,
:cr E yN
dove
λ
yy
Ef
λ π=
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEAste semplici
APPROCCIOAPPROCCIO DELLEDELLE NORMATIVENORMATIVErrmmaattttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEAste semplici
APPROCCIOAPPROCCIO DELLEDELLE NORMATIVENORMATIVErrmmaattttiivvaaaa
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEAste TESEMETALLICHE
Aste semplici
Verifiche di RESISTENZAVerifiche di RESISTENZA•Aste non forate→ area lorda della sezione•Aste non forate→ area lorda della sezione
•Aste forate→ area netta della sezione
Bisogna individuare la sezioneBisogna individuare la sezionecritica in funzione del percorsodelle tensionidelle tensioni
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEAste semplici
Aste TESE
rrmm
Aste TESEVerifiche di RESISTENZAVerifiche di RESISTENZA
aatt Verifiche di RESISTENZAVerifiche di RESISTENZAttii
Assumendo quale resistenza a trazione Il minore dei seguenti valorivvaa
Assumendo quale resistenza a trazione Il minore dei seguenti valori
aa
Quando si progetta in accordo al criterio di gerarchia delle resistenze deve
risultare:
PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
f hf h dd
METALLICHEAste semplici
Aste INFLESSE ‐ Verifiche Verifiche di RESISTENZAdi RESISTENZAANALISI ELASTICA DELLA SEZIONEANALISI ELASTICA DELLA SEZIONE
yx MMσ +x
x yW W
M W
σ
σ
= +
e y elM Wσ=
ANALISI ELASTO‐PLASTICA DELLA SEZIONE
lM Wσ=u y plM Wσ=
di d d ll f d ll iuM dipende dalla forma della sezioneu
eM→
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEAste semplici
Aste INFLESSE
rrmm Aste INFLESSE
Verifiche di RESISTENZAVerifiche di RESISTENZAaatt ffttii Flessione monoassiale rettavvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEAste semplici
rrmm
Capacità di rotazione della sezionecompatte
aatt Classe 1: Cθ≥3
compatte
ttii Classe 2: Cθ≥1.5
vvaa
Classe 3: solo le fibre estreme raggiungono lo snerv.aa
Classe 4: instabilità locali in campo elastico
llsnelle
Moderatamente snelle
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEAste semplici
TAGLIOTAGLIOrrmmaatt • Resistenza di calcolo a tagliottii
• Resistenza di calcolo a taglioin assenza di torsione
vvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHESLE
Verifiche agli stati limite di eserciziorrmm
spostamentispostamentiaattttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
V ifi h li i li i di i ioorr
METALLICHESLE
Verifiche agli stati limite di eserciziospostamentispostamenti
rrmm spostamentispostamentiaattttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
Verifiche agli stati limite di eserciziooorr
METALLICHESLE
Verifiche agli stati limite di eserciziospostamentispostamenti
rrmm spostamentispostamentiaattttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
Meccanismo resistente della struttura → ti l i t tt l
rrmm
tipologia strutturaleaattttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
Duttilità a livello di sezioneDuttilità a livello di sezionerrmmaattttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
Quando entrano in gioco sollecitazioni assialiQuando entrano in gioco sollecitazioni assialirrmmaattttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
Preserviamo i collegamentiPreserviamo i collegamentirrmmaattttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
Duttilità a livello di strutturaDuttilità a livello di strutturarrmmaattttiivvaaaa
l f ti t i d b licolonne forti – travi deboli
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
Duttilità a livello di strutturaDuttilità a livello di strutturarrmmaattttiivvaaaa
qualità della duttilità
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
Duttilità a livello di strutturaDuttilità a livello di strutturarrmmaattttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
Duttilità a livello di strutturaDuttilità a livello di strutturarrmmaattttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
rrmmaatt e per la tipologia a controventi?ttiivvaaaa
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
La gerarchia delle resistenze è basata su un differente meccanismo ultimo
rrmm su un differente meccanismo ultimoaattttiivvaaaa
diagonali deboli – colonne,travi, collegamenti fortig g
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
La gerarchia delle resistenze è basata su un differente meccanismo ultimo
rrmm su un differente meccanismo ultimoaattttiivvaaaa
sollecitazioni di progetto amplificate tenendosollecitazioni di progetto amplificate tenendoconto del tasso di lavoro delle diagonali
NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE
oorr
METALLICHEGerarchia delle resistenze
evitando concentrazioni di richieste di deformazione plastica (danno)
rrmm deformazione plastica (danno) aattttiivvaaaa
garantendo buoni livelli di dissipazione
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