Concezione strutturale

Laboratorio di progettazione strutturale A.A. 2009/2010
Costruzioni in acciaio in
zona sismica - I
Prof. Ing. Andrea Dall’Asta
Università di Camerino
Dipartimento di
PROgettazione e Costruzione dell’Ambiente
e-mail:[email protected]
Edifici in acciaio - criteri di verifica
•
Aspetti generali
•
Edifici con controventi concentrici
•
Edifici con controventi eccentrici
•
Edifici a telaio
Edifici multipiano
• Azioni orizzontali
– Controventi di piano
– Controventi verticali
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
Pushover controventi eccentrici - direzione X
-forze proporzionali al 1° modo di vibrare-
Vu
- gerarchia resistenze
uscita dell'ultimo link
(5° piano) dal
campo elastico
1600
base shear (kN)
- regolarità di piano
funzionamento di tutti i link in
campo plastico
rottura del
primo link
(3°piano)
zona di transizione
Vy
1200
uscita del primo
link (3°piano) dal
campo elastico
800
funzionamento di tutti i link in
campo elastico
au/ay =Vu/Vy=1,54
400
Duttilità complessiva
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
D/H (% )
Aspetti generali
Progetto duttilità
– Comportamento non dissipativo
– Comportamento dissipativo a bassa duttilità
– Comportamento dissipativo ad alta duttilità
Spettri di progetto allo SLU
(azione sismica orizzontale)
9.00
8.00
7.00
6.00
Sd (m/s2)
q=1
5.00
q=2
q=4
4.00
q=6
0,2ag
3.00
2.00
1.00
0.00
0
0.5
1
1.5
2
2.5
T (sec)
Sd(T)>0.2ag (3.2.3.5)
3
3.5
4
4.5
Aspetti generali
Controllo spostamenti
Confronto spostamento limite – spostamento misurato
ND BD
vento
su struttura progettata per azioni sismiche nelle 3
condizioni di duttilità
limi
limit
te=
h/5
e=h
00
/500
AD
edificio a 4 piani
limit
e=h
vento
/500
ND BD AD
vento
edificio a
8 piani
edificio a
16 piani
AD
Materiale
Materiale
Sovraresistenza materiale
fy,m = tensione media di snervamento
fyk = valore nominale della tensione di snervamento
gRd (gov in EC8) = fattore di sovraresistenza del materiale
fy,max = 1.1 gov fyk (EC8)
ft/fy>1.2 As>20% (NTC08)
Coefficiente di struttura
Fattori di struttura di riferimento q0 (Tipologia) (q=KRq0)
Tipologia
BD (DCM)
AD (DCH)
αu/α1
4
2
2
4
5,0 αu/α1
2.5
2,0 αu/α1
4,0 αu/α1
1,1-1,3
Strutture intelaiate / Controventi eccentrici
Controventi reticolari a V
Strutture a mensola o pendolo invertito
Strutture intelaiate con contr. concentrici
1.0
- 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)
Tipologia
Controventi reticolari concentrici (diag. Tesa)
Strutture con tamponature in muratura
4
2
- Tipologie miste -> si può prendere q differente nelle due direzioni (maglia ortogonale)
(7.3.1)
- Tipologie diverse -> an. Dinamica non lineare o q=1
Coefficiente di struttura
Regolarità in altezza (Kr) (7-2-2)
e) tutti i sistemi resistenti verticali (quali telai e pareti) si estendono per tutta l’altezza della
costruzione;
f) massa e rigidezza rimangono costanti o variano gradualmente, senza bruschi cambiamenti, dalla
base alla sommità della costruzione (le variazioni di massa da un orizzontamento all’altro non
superano il 25 %, la rigidezza non si riduce da un orizzontamento a quello sovrastante più del 30% e
non aumenta più del 10%); ai fini della rigidezza si possono considerare regolari in altezza strutture
dotate di pareti o nuclei in c.a. o pareti e nuclei in muratura di sezione costante sull’altezza o di telai
controventati in acciaio, ai quali sia affidato almeno il 50% dell’azione sismica alla base;
g) nelle strutture intelaiate progettate in CD “B” il rapporto tra resistenza effettiva e resistenza
richiesta dal calcolo non è significativamente diverso per orizzontamenti diversi (il rapporto fra la
resistenza effettiva e quella richiesta, calcolata ad un generico orizzontamento, non deve differire più
del 20% dall’analogo rapporto determinato per un altro orizzontamento); può fare eccezione l’ultimo
orizzontamento di strutture intelaiate di almeno tre orizzontamenti;
h) eventuali restringimenti della sezione orizzontale della costruzione avvengono in modo graduale
da un orizzontamento al successivo, rispettando i seguenti limiti: ad ogni orizzontamento il rientro
non supera il 30% della dimensione corrispondente al primo orizzontamento, né il 20% della
dimensione corrispondente all’ orizzontamento immediatamente sottostante. Fa eccezione l’ultimo
orizzontamento di costruzioni di almeno quattro piani per il quale non sono previste limitazioni di
restringimento.
Coefficiente di struttura
Rapporto au/a1
Strutture regolari in pianta
edifici a un piano
au/a1 = 1,1
edifici a telaio a più piani, con una sola campata
au/a1 = 1,2
edifici a telaio con più piani e più campate
au/a1 = 1,3
edifici con controventi eccentrici a più piani
au/a1 = 1,2
edifici con strutture a mensola o a pendolo inverso
au/a1 = 1,0
Strutture non regolari in pianta
Valore medio tra 1.0 ed il valore precedente
Determinazione mediante analisi statica non lineare
αu/α1 max = 1.6 (EC8)
Coefficiente di struttura
Regolarità in pianta (ar/au) (7-2-2)
a) la configurazione in pianta è compatta e approssimativamente simmetrica rispetto a due direzioni
ortogonali, in relazione alla distribuzione di masse e rigidezze;
b) il rapporto tra i lati di un rettangolo in cui la costruzione risulta inscritta è inferiore a 4;
c) nessuna dimensione di eventuali rientri o sporgenze supera il 25 % della dimensione totale della
costruzione nella corrispondente direzione;
d) gli orizzontamenti possono essere considerati infinitamente rigidi nel loro piano rispetto agli
elementi verticali e sufficientemente resistenti.
Criteri di modellazione (7-2-6)
Gli orizzontamenti possono essere considerati infinitamente rigidi nel loro piano, a condizione che
siano realizzati in cemento armato, oppure in latero-cemento con soletta in c.a. di almeno 40 mm di
spessore, o in struttura mista con soletta in cemento armato di almeno 50 mm di spessore collegata
da connettori a taglio opportunamente dimensionati agli elementi strutturali in acciaio o in legno e
purché le aperture presenti non ne riducano significativamente la rigidezza.
Diaframmi di piano
FSd = 1.3 Fsd,E
Modello con piano deformabile
Duttilità di sezione
• Alta/Bassa duttilità - Classificazione delle sezioni
Classificazione in base a resistenza (momento ultimo) e
duttilità (rapporto curvatura ultima/curvatura
snervamento)
• Classe 1
Momento ultimo = Momento resistente plastico e rotazione ultima
elevata
(qu/qy>3)
• Classe 2
Momento ultimo = Momento resistente plastico e rotazione ultima
limitata
(qu/qy>1.5)
• Classe 3
Momento 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 4
Momento 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)
13
Classificazione delle sezioni
• Metodo di classificazione
Metodo geometrico (rapporti
spessore/lunghezza dei
componenti)
In funzione dello stato di
tensione
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Duttilità di sezione
Duttilità degli elementi dissipativi compressi e inflessi
Fattore di struttura q0
2<q0<=4
q0>4
Classe delle sezioni
(elementi dissipativi)
Classe 1 o 2
Classe 1
Aspetti generali
Duttilità degli elementi dissipativi tesi
Nu  Ares f t / g M 2  1.1Af y / g M 0  1.1N pl , Rd
g M 0  1.05
g M 2  1.25
Sovraresistenza collegamenti zone dissipative
I collegamenti con saldature a completa penetrazione sono sovraresistenti
I collegamenti bullonati o con cordoni d’angolo devono soddisfare la relazione:
coll
RSd
 1.1g Rd R pl , Rd  Ru , Rd
Edifici in acciaio - criteri di verifica
•
Aspetti generali
•
Edifici con controventi concentrici
•
Edifici con controventi eccentrici
•
Edifici a telaio
Controventi concentrici - Tipologie
Controventi con diagonale tesa attiva
Classe unica (q=4)
Controventi con diagonale
compressa e tesa attiva
CD A (q=2.5) CD B (q=2)
Controventi a K
Non duttili (q=1)
Controventi concentrici
•
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 - duttilità
Snellezza elemento compresso
Influenza sulla duttilità e deformabilità
Troppo deformabile
duttile
fragile
Controventi concentrici - snellezza
Limiti snellezza (oltre 2 piani)
1- Snellezza adimensionale
1.3    2.0
(contr. diagonale tesa attiva)
  2.0
(contr. V)
Z
Z
Y
X
X
   / y
 y   2 E / f y 0.5
Controventi concentrici - simmetria
Controventi con diagonale tesa attiva
- Risposta sostanzialmente indipendente dal verso dell’azione
- Indicazioni EC e OPC: variazioni di rigidezza laterale, sotto inversione delle azioni
sismiche, inferiori al 5% -> Controllo componente verticale dell’area
A  A

A A

 0.05
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
i 
N pl , Rd ,i
N Ed ,i

f yd
 Ed ,i
Condizione di regolarità (interazione con cond. snellezza)
i ,max
i ,min
 1.25
Coefficiente sovraresistenza globale
  min i ; q
Controventi concentrici - GR
Gerarchia resistenze (controventi concentrici)
– Sovraresistenza travi e pilastri dei controventi (e relativi collegamenti)
NRd(MEd) > NEd = NEd,G + 1.1gRdNEd,E
MEd = MEd,G + 1.1gRdMEd,E
NEd,G , MEd,G = Sollecitazioni non sismiche
NEd,E , MEd,E = Sollecitazioni sismiche
Controventi concentrici - collegamenti
Nu  Ares f t / g M 2  1.1Af y / g M 0  1.1N pl , Rd
coll
RSd
 1.1g Rd R pl , Rd  Ru , Rd
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
Controventi concentrici - GR
Gerarchia resistenze semplificata
– Dimensionamento dei diagonali con sollecitazioni di calcolo
- Rispetto condizione sulla massima snellezza dei diagonali
  2.0
   / y
 y   2 E / f y 0.5
- Dimensionamento di travi, pilastri e collegamenti dei controventi con sollecitazioni
amplificate con coefficienti di sovraresistenza (=1)
SRd > SEd = SEd,G + 1.1gRdNEd,E
SEd,G = Sollecitazioni non sismiche
SEd,E = Sollecitazioni sismiche
Laboratorio di progettazione strutturale A.A. 2009/2010
Costruzioni in acciaio in
zona sismica - I
Prof. Ing. Andrea Dall’Asta
Università di Camerino
Dipartimento di
PROgettazione e Costruzione dell’Ambiente
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