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Approccio alla progettazione e modellazione REP® in zona sismica
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Approccio alla progettazione e modellazione REP® in zona sismica

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L'ing. Roberto Scotta dell'Università di Padova presenta l'approccio alla modellazione e progettazione di un edificio in zona sismica con Sistema REP®.

L'ing. Roberto Scotta dell'Università di Padova presenta l'approccio alla modellazione e progettazione di un edificio in zona sismica con Sistema REP®.

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  • 1. Ing. Roberto Scotta Dipartimento Ingegneria Civile Edile e Ambientale Università di Padova APPROCCIO ALLA MODELLAZIONE EPROGETTAZIONE DI UN EDIFICIO IN ZONA SISMICA CON SISTEMA REP®
  • 2. L’IMPORTANZA DI UNA VISIONE GLOBALENELLA PROGETTAZIONE DI STRUTTURE ANTISISMICHE Fino a quando la progettazione strutturale era legata essenzialmente alla esigenza di sopportare i carichi gravitazionali, la netta suddivisione dei compiti nel progetto strutturale è stata la prassi normale: • Compresenza di più progettisti strutturali: delle strutture in opera, delle fondazioni, dei solai, delle strutture prefabbricate, … • Pilastri, pareti e fondazioni progettati essenzialmente per soli carichi verticali, • Travi e solai calcolati con schemi di trave continua, indipendenti per i diversi piani. L’avvento della nuova zonazione sismica ha reso tale separazione delle competenze spesso impossibile. In un edificio antisismico complesso la modifica di un qualsiasi dettaglio strutturale locale può ripercuotersi sulla risposta dell’intero edificio.Allo scopo di semplificare la fase progettuale, attraverso la riduzione delle diversecompetenze richieste, vi è la tentazione di rinunciare a soluzioni complesse (miste)e si propende verso soluzioni omogenee (es. strutture interamente in opera). Così si rinuncia però a priori ai vantaggi derivanti dalla scelta soluzioni a maggiore contenuto tecnologico, quale ad esempio la parziale prefabbricazione delle strutture.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 2
  • 3. L’IMPORTANZA DI UNA VISIONE GLOBALENELLA PROGETTAZIONE DI STRUTTURE ANTISISMICHE In chiave moderna il progettista strutturale è colui che: • assume il ruolo di coordinatore della progettazione strutturale, interfacciandosi con il committente, l’architetto/i, i progettisti degli impianti, la direzione lavori e i progettisti strutturali specifici di singole parti/tipologie, • opera le scelte fondamentali sulla tipologia strutturale, la forma, la collocazione e il collegamento delle diverse componenti della struttura, • effettua la scelta dei materiali e dei carichi di progetto, • decide il tipo di modellazione e di analisi da effettuare (demandando eventualmente il compito della soluzione della struttura ad un professionista specializzato), • valuta criticamente la risposta del complesso strutturale e trasmette le sollecitazioni di progetto ai progettisti specifici di ogni parte/tipologia della struttura, • infine approva e valida l’intero progetto della struttura, assumendosene le relative responsabilità professionali. Egli rimane dunque il solo responsabile della progettazione nel suo complesso. Ha un ruolo fondamentale in quanto il suo operato determina l’efficienza della struttura, in termini di velocità esecutiva, costo e ottemperanza dell’opera alle leggi vigenti e alle specifiche di progetto.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 3
  • 4. IL SISTEMA REP®Nasce nel 1967 da un’idea dell’Ing. S. Leone. Successivamente subisce innovazioni emiglioramenti fino a assumere la connotazione odierna.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 4
  • 5. IL SISTEMA REP® E I CARICHI VERTICALI Le strutture realizzate con il sistema REP® si discostano dalle tipologie strutturali tradizionali. Trattandosi di STRUTTURE MISTE (AUTOPORTANTI) il loro comportamento strutturale e lo schema statico dell’edificio mutano durante la costruzione. Si distinguono due diverse fasi di lavoro: • 1^ FASE (TRANSITORIA DI COSTRUZIONE): quando il getto di calcestruzzo è appena completato e quindi ancora fluido, Le travi si comportano in questa fase come una struttura reticolare metallica in autoportanza, isostatica. La struttura è di tipo pendolare per i pesi propri strutturali. • 2^ FASE (DI ESERCIZIO): a getto di calcestruzzo indurito e quindi collaborante con la struttura in acciaio, La struttura è monolitica. Per i carichi di 2^ fase (permanenti portati e di esercizio): - per strutture di tipo pendolare: le travi possono essere calcolate come travi continue, indipendenti per ogni piano (modelli lineari). - per strutture a telaio: si deve operare una soluzione completa in blocco del telaio iperstatico (modello numerico complesso 3D)R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 5
  • 6. IL SISTEMA REP® E I CARICHI ORIZZONTALI Rispetto al meccanismo con cui si sopportano i carichi orizzontali le strutture si classificano come: • edifici a pareti o a nuclei di controventamento (edifici pendolari) • edifici a telaio • strutture miste a telaio e pareti Negli edifici con schema pendolare: • vi è una netta distinzione fra le parti strutturali deputate ad assorbire le azioni orizzontali - vento o sisma - e quelle la cui funzione è di portare a terra i carichi verticali gravitazionali, • una volta che sia assicurata la formazione del piano rigido a livello dei solai, non è necessario avere un sistema di travi bidirezionali, • rispetto ai carichi verticali l’edificio può essere calcolato a piani indipendenti con le travi che assumono lo schema statico di semplice appoggio in 1^ fase e di continuità in 2^ fase, • nella valutazione degli effetti dell’azione sismica il sistema di travi e pilastri può essere classificato come “elemento strutturale secondario”, la cui rigidezza può essere trascurata, purché ne sia assicurata la capacità di resistenza alle azioni verticali quando la struttura è in condizioni deformate per effetto del sisma stesso.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 6
  • 7. IL SISTEMA REP® E I CARICHI ORIZZONTALI Rispetto al meccanismo con cui si sopportano i carichi orizzontali le strutture si classificano come: • edifici a pareti o a nuclei di controventamento (edifici pendolari) • edifici a telaio • strutture miste a telaio e pareti Negli edifici con schema a telaio o misti: • sia le azioni verticali che quelle orizzontali vengono assorbite congiuntamente dal complesso di travi e pilastri ed entrambe inducono sollecitazioni di tipo flessionale – e quindi anche di taglio – su entrambe le tipologie di membratura; • per assicurare la stabilità dell’edificio in ogni possibile direzione di arrivo del sisma, oltre alla presenza del piano rigido, è necessario assicurare un comportamento a telaio in tutte le direzioni: tipicamente questo si ottiene disponendo un ordito di travi a maglie ortogonali collegate rigidamente ai pilastri con nodi ad incastro capaci di trasmettere le sollecitazioni flettenti; • non è più possibile pertanto distinguere nettamente i ruoli delle diverse strutture e conseguentemente risulta più difficoltosa anche la progettazione separata dei pilastri e delle travi. Per le luci e dimensioni correnti degli edifici e per i livelli di carico usuali tipicamente le combinazioni di tipo statico sono dimensionanti per le travi, mentre quelle di tipo sismico sono dimensionati per i pilastri.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 7
  • 8. IL SISTEMA REP® E SCHEMI STRUTTURALI edifici a pareti edifici a telaio o misti modello numerico realizzato unicamente con elementi di tipo “beam” per le pareti e collegamenti rigidi di piano per la valutazione delle azioni sismicheR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 8
  • 9. IL SISTEMA REP® E SCHEMI STRUTTURALI edifici a pareti edifici a telaio o misti carichi concentrati di 1^ fase carichi distribuiti permanent di 2^ fase carichi distribuiti variabili di 2^ fase carichi sismici orizzontali di 2^ fase modellazione di un edificio a telaio che tiene conto della variazione di schema statico fra 1^ e 2^ faseR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 9
  • 10. VANTAGGI DEL SISTEMA REP® • Rispetto alle strutture in c.a. tradizionale, riduzione dei tempi di montaggio e di esecuzione delle strutture; • diminuzione del livello di addestramento richiesto alle maestranze; aumento della sicurezza di cantiere; riduzione della dotazione di cantiere necessaria per la messa in opera; • autoportanza delle strutture in fase di montaggio; • flessibilità e tolleranza del sistema di montaggio a secco: a calcestruzzo non indurito (1^ fase) essendo la struttura totalmente isostatica può assorbire imprecisioni di costruzione senza che si introducano stati di coazione nella struttura; • poiché in 1^ fase le travi sono in semplice appoggio sui pilastri si ha trasferimento dai nodi verso la campata delle sollecitazioni per i carichi di 1^ fase. Ottimizzazione strutturale: risultano meno sollecitate le zone nodali delle travi laddove si deve esplicare la dissipazione energetica durante l’azione sismica e più sollecitate le zone di campata laddove vi è maggiore disponibilità di calcestruzzo compresso; • per lo stesso motivo i pilastri risultano meno sollecitati a flessione per effetto dei carichi gravitazionali di 1^ fase; • per quanto sopra si può ridurre l’ingombro delle strutture con un alleggerimento generale degli edifici e quindi con vantaggi anche a livello di fondazioni; • rispetto ai sistemi di prefabbricazione in c.a.p. tradizionali, in 2^ fase la struttura risulta monolitica e internamente iperstatica come richiesto in una struttura che deve essere dissipativa in caso di eventi sismici ma rigida in condizioni di esercizio.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 10
  • 11. PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI REP-CLS SEZIONE LUNGHEZZATRAVE N° a [m] b [m] L [m] APPOGGIO [mm] TRAVE [m] 1 254x240 6.02 2.58 0.62 5.78 sul cls 2 301x242 6.02 2.58 0.62 5.78 sul cls 3 406x259 6.02 2.58 0.62 5.78 sul cls 4 262x339 6.02 2.53 0.72 5.78 sul cls 5 305x338 6.02 2.58 0.62 5.78 sul cls 6 411x343 6.02 2.65 0.48 5.78 sul cls 7 268x446 6.02 2.75 0.48 5.98 sul martello 8 311x436 6.02 2.47 0.48 5.42 sul cls 9 410x441 6.02 2.38 1.02 5.78 sul martello 10 269x534 6.48 2.98 0.48 6.44 sul martello 11 306x547 6.48 2.98 0.48 6.44 sul martello 12 424x544 6.48 2.98 0.48 6.44 sul martelloNOTE:Nella trave 2 la prova si è dovuta interrompere prima della completa rottura per raggiunto finecorsa 5cm degli estensimetri in mezzeria.Nella trave 3 la prova si è dovuta interrompere prima della completa rottura per raggiunto finecorsa 10 cm degli estensimetri in mezzeria.Nella trave 8 l’estensimetro EMSC è stato applicato direttamente sul calcestruzzo.Per le travi 7 e 10 sono stati applicati solamente gli estensimetri in mezzeria causal’impossibilità di mettere in luce gli spezzoni di misura sugli altri punti. R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 11
  • 12. PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI REP-CLSR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 12
  • 13. PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI REP-CLS Prove di rottura per flessione Prove di rottura per taglioR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 13
  • 14. PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI REP-CLS Prove a flessioneR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 14
  • 15. PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI REP-CLS Prove a flessioneR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 15
  • 16. PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI REP-CLS Prove a flessione Conclusioni dalle prove a flessione– comportamento in 2^ fase • La deformabilità delle travi è ben rappresentata quando si adotti la rigidezza in fase fessurata delle travi (travi con elevata percentuale di armatura – effetto di tension stiffening trascurabile) • Il momento ultimo di rottura è sempre ottimamente stimato con le formule fornite dal DM 14/01/08 per le sezioni in c.a., basate sulle ipotesi di:  Mantenimento delle sezioni piani  Assenza di scorrimento fra acciaio e calcestruzzo  Diagramma di tensione stress-block per il calcestruzzo La conformazione del traliccio e la rugosità dei correnti assicuratadalla saldatura con le armature d’anima garantisce una connessione rigida e resistente fra acciaio e calcestruzzo.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 16
  • 17. PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI REP-CLS Prove a taglioR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 17
  • 18. PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI REP-CLS Prove a taglioR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 18
  • 19. PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI REP-CLS Prove a taglio Conclusioni dalle prove a taglio su travi composte – comportamento in 2^ fase • La resistenza ultima a taglio è sempre ottimamente stimata con il meccanismo di Morsch come nelle sezioni in c.a., adottando angoli ridotti dell’inclinazione delle bielle compresse di calcestruzzo (formule del traliccio ad inclinazione variabile del DM 14/01/08) • La rottura del corrente compresso non può avere luogo: le bielle di acciaio compresse hanno la stessa sezione di quelle tese e sono stabilizzate dal calcestruzzo in cui sono immerse Nella valutazione della resistenza a taglio in 2^ fase si può tenere conto della collaborazione fra acciaio e calcestruzzo. Attualmente si opera nell’ipotesi molto cautelativa di far assorbire l’intero taglio alla sola armatura d’anima (schema reticolare).R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 19
  • 20. IL BREVETTO SISMIREP® (S. Leone, 2002) TRALICCIO RETICOLARE AGGIUNTIVO 3D TRAVE REP TRALICCIO AGGIUNTIVO REP PILASTRO PDT TRAVE REP PILASTRO PDT TRAVE REP PILASTRO PDT TRALICCIO AGGIUNTIVO REP TRAVE REP TRAVE REP TRALICCIO RETICOLARE AGGIUNTIVO 3DR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 20
  • 21. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REPR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 21
  • 22. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REPR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 22
  • 23. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REPR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 23
  • 24. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Tipologia Traliccio Trave Pilastro Costruttiva Nodo 1 c.a. CDA No c.a. c.a. Struttura Lineare Nodo 2 REP® c.a. Mista REP® semplice Struttura Lineare Nodo 3 REP® c.a. Mista REP® Calastrellato Struttura Croce Nodo 4 REP® c.a. Mista REP® Tecnostrutture Struttura Croce Nodo 5 REP® Incamiciato Mista REP® SISMIREP® Tutti progettati come nodi trave-pilastro al piano terra di un edifico a telaio: - a 4 piani, maglia pilastri 4x6 metri - in zona sismica 1 (L’Aquila), terreno di tipo C: ag(SLV) = 0.260 g - ad alta duttilità (CDA), regolare: q=4,5x1,3=5.85 - taglio sismico di progetto sul pilastro (comb. SLV): VEd =150 kN - rispettosi della gerarchia delle resistenze trave-pilastro: =1,3R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 24
  • 25. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Nodo1 - in c.a. tradizionale in alta duttilitàR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 25
  • 26. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Nodi in struttura mista di tipo REP® con nodo saldato Viene predisposta l’armatura del pilastro e appoggiate Viene Inserito un le travi prefabbricate traliccio integrativo autoportanti di tipo passante al nodo per REP®. In questa creare la continuità fase ogni elemento nella struttura. Posizionata della struttura è l’armatura del indipendente. pilastro superiore si procede con il getto di completamento che renderà la struttura omogenea e collaborante in tutte le sue parti.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 26
  • 27. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Sezione del pilastro Sezione della traveR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 27
  • 28. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Nodo 2 Traliccio lineare semplice Nodo 3 Traliccio lineare calastrellato Formati da barre longitudinali superiori e inferiori, tenute insieme da delle barre danima piegate e saldate. Con l’aggiunta nel nodo 3 di barre trasversali superiori (calastrelli) saldate fuori dal nodo.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 28
  • 29. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Nodo 4 Traliccio a croce Tecnostrutture Nodo 5 Traliccio a croce SISMIREP®Traliccio di continuità delle travi formato da barre longitudinali superiori e inferiori, tenute insieme da armature danima piegate e saldate. Traliccio di continuità del pilastro composto da correnti longitudinali e da barre saldate d’anima trasversali non inclinate (Nodo 4) o inclinate (Nodo 5).R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 29
  • 30. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Misure degli spostamenti Flessimetri. Esempio – Nodo 4R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 30
  • 31. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Nodo 1 vs Nodo 5 Il nodo in Struttura mista REP® si comporta come il nodo in c.a. tradizionale, anche in campo plastico.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 32
  • 32. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Nodo 1 vs Nodo 5 Nodo 1 Nodo 5 tradizionale in c.a. Sismi-REP con pilastro incamiciatoR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 33
  • 33. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Nodo 2 vs Nodo 3 La presenza dei calastrelli non influisce su comportamento del nodo.R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 34
  • 34. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Nodo 3 vs Nodo 4 La presenza del traliccio a croce porta ad una leggera riduzione di resistenza rispetto a quello lineare (maggiore lunghezza di penetrazione della lunghezza di cerniera plastica della trave)R. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 35
  • 35. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Nodo 4 vs Nodo 5 La diversa conformazione del traliccio non comporta sensibili modifiche del comportamento del nodoR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 36
  • 36. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Conclusioni prove su nodi • I nodi in c.a. progettati in classi di duttilità alta ed i nodi in struttura mista hanno dimostrato un comportamento simile quando sottoposti a sollecitazioni cicliche di tipo sismico • Tra i diversi tipi di traliccio integrativo utilizzati a cavallo del nodo delle strutture composte non ci sono significative differenze in termini di resistenza e duttilità • La duttilità che i nodi in struttura mista hanno dimostrato possedere è adeguata alle richieste delle strutture anti-sismiche a telaioR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 37
  • 37. PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP Conclusioni prove su nodi • I nodi in c.a. progettati in classi di duttilità alta ed i nodi in struttura mista hanno dimostrato un comportamento simile quando sottoposti a sollecitazioni cicliche di tipo sismico • Tra i diversi tipi di traliccio integrativo utilizzati a cavallo del nodo delle strutture composte non ci sono significative differenze in termini di resistenza e duttilità • La duttilità che i nodi in struttura mista hanno dimostrato possedere è adeguata alle richieste delle strutture anti-sismiche a telaio • Nella progettazione sismica si possono utilizzare i fattori di struttura usualmente adottati per le strutture in c.a. o misteR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 38
  • 38. GRAZIE DELL’ATTENZIONE Per contatti: roberto.scotta@unipd.itR. Scotta Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia 57