Zone sismiche 4

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Zone sismiche 4

  1. 1. DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA STRUTTURALEUniversità di PisaCorsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile-Architettura Costruzioni in Zona Sismica. Parte 4. Strutture in acciaio Docente: Ing. Walter Salvatore Anno Accademico 2003-2004
  2. 2. Progettazione sismica di strutture in acciaio. [Rif. Bibl. ECCS TC 13 Seismic Design. ECCS Manual on Design of Steel Structures in Seismic Zones, 1994.]Componenti strutturaliGli edifici in acciaio sono costituiti da una combinazione di componenti strutturali quali:- fondazioni- struttura- solaiFondazioniLe fondazioni sono solitamente realizzate in cemento armato.StrutturaLa struttura è costituita da uno scheletro in acciaio capace di riportare tutte le azioni orizzontali everticali in fondazione.SolaiI solai hanno la funzione di resistere ai carichi verticali riportandoli alle travi di solaio Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 2
  3. 3. Progettazione sismica di strutture in acciaio.ControventiPer poter assorbire carichi orizzontali comunque diretti è necessario disporre un numero sufficiente distrutture di controvento. A tal propositi è possibile considerare ogni solaio come una struttura pianavincolata dai controventi che ne costituiscono i vincoli.Ovviamente il solaio deve essere in grado di resistere in campo elastico alle azioni orizzontali diprogetto. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 3
  4. 4. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Controventi orizzontali everticali Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 4
  5. 5. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Caratterizzazione sismica delle tipologie strutturaliSiccome le strutture di controvento orizzontali e/o i solai devono resistere alle azioni orizzontali incampo elastico, l’azione dissipativa durante il terremoto può essere localizzata solo nelle struttureverticali che diventano così l’elemento caratterizzante delle strutture in acciaio in zona sismica.Si distinguono essenzialmente tre tipologie strutturali: - strutture con controventi concentrici - strutture con controventi eccentrici - strutture a telaioStrutture a controventi concentriciLe zone dissipative si localizzano nelle aste tese, anche se le capacità dissipative sono spesso pocosoddisfacenti a causa dei ripetuti fenomeni di instabilità che interessano le aste diagonali compresse.Ciò produce una progressiva diminuzione dell’area racchiusa nei cicli di isteresi. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 5
  6. 6. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Strutture a controventiconcentrici Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 6
  7. 7. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Strutture a controventi concentrici: controventi ad X Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 7
  8. 8. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Strutture a controventi concentriciCaratteristiche diverse si ottengono a seconda della tipologia di controvento. Esitono essenzialmentetre categorie: - controventi a X; - controventi a V - controventi a K.I controventi ad X dissipano a causa della plasticizzazione sia dell’elemento compresso che di quelloteso ed il loro degrado è dovuto all’interazione fra l’instabilità fuori piano ed i fenomeni di instabilitàlocale che interessano l’elemento di volta in volta compresso.Sezioni simmetriche hanno prestazioni migliori di sezioni non simmetriche.I controventi a V, quando entrambe le diagonali tesa e compressa resistono alle azioni orizzontali,dissipano energia solo in corrispondenza degli elementi compressiI controventi a K non possono essere considerati dissipativi in quanto le diagonali intersecano lecolonne. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 8
  9. 9. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Strutture a telaioLe strutture a telaio possono avere un gran numero di elementi dissipativi localizzatiessenzialmente in corrispondenza dei collegamenti trave colonna.La dissipazione di energia avviene essenzialmente per cicli a flessione.I collegamenti trave-colonna possono essere suddivisi in 4 categorie:tipo A: collegamenti con coprigiunti;tipo B: collegamenti con squadrette;tipo C: collegamenti con flangia;tipo D: collegamenti saldati.La capacità di assorbire energia è molto diversa a seconda del tipo di collegamento utilizzato.Al fine di garantire la formazione delle cerniere plastiche in corrispondenza dei collegamenti ènecessario stabilire una opportuna gerarchia delle resistenze tra trave, colonna e collegamento. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 9
  10. 10. Progettazione sismica di strutture in acciaio. Strutture a telaio: tipologie di collegamentoCostruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 10
  11. 11. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Meccanismi dissipativi, struttura a telaio Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 11
  12. 12. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Strutture a telaioI sistemi a telaio sono utilizzati essenzialmente per edifici di altezza non troppo elevata.Per edifici di altezza medio-alta (da 6 a 40 piani) in genere le deformazioni elastiche orizzontali perterremoti di intensità medio-alta o per l’azione del vento risultano in genere troppo elevata,inducendo danneggiamenti agli elemento non strutturali.Una rigidezza sufficiente può essere ottenuta introducendo controventi verticali anche nellestrutture a telaio.Strutture con controventi eccentriciUna soluzione intermedia tra la rigidezza delle strutture controventate e la duttilità dei telai puòessere ottenuta mediante l’introduzione di controventi eccentrici.In questo caso le azioni orizzontali sono assorbite essenzialmente da elementi soggetti asollecitazioni assiali, ma l’eccentricità del collegamento consente la dissipazione di energiamediante cicli a flessione o a taglio in corrispondenza degli elementi di collegamento. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 12
  13. 13. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Strutture con controventi eccentriciLe soluzioni più comuni possono essere classificate come controventi a D, a K ed a V. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 13
  14. 14. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Strutture con controventi eccentriciAnche in questo caso la localizzazione delle cerniere plastiche deve essere garantita attraverso ladefinizione di un’opportuna gerarchia delle resistenze.La lunghezza del collegamento eccentrico è responsabile del meccanismo di collasso che dissipa energia.Collegamenti corti dissipano essenzialmente per taglio (shear links).Elementi più lunghi dissipano energia per flessione (moment links).Ovviamente il collegamento deve essere progettato con cura per ottenere le prestazioni richieste.Caratteristiche dissipative di uncollegamento eccentrico Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 14
  15. 15. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.TIPOLOGIE STRUTTURALI E FATTORE DI STRUTTURALe strutture sismo-resistenti in acciaio possono essere distinte nelle seguenti tipologie strutturali inaccordo con il loro comportamento sotto azioni orizzontali:a) strutture intelaiate: composte da telai che resistono alle forze orizzontali con uncomportamento prevalentemente flessionale.In queste strutture le zone dissipative sono principalmente collocate alle estremità delle travi inprossimità dei collegamenti trave-colonna, dove si possono formare le cerniere plastiche e l’energiaviene dissipata per mezzo della flessione ciclica plastica.b) controventi reticolari concentrici: nei quali le forze orizzontali sono assorbite principalmenteda membrature soggette a forze assiali.In queste strutture le zone dissipative sono principalmente collocate nelle diagonali tese. Pertantopossono essere considerati in questa tipologia solo quei controventi per cui lo snervamento dellediagonali tese precede il raggiungimento della resistenza a compressione delle aste strettamentenecessarie ad equilibrare i carichi esterni. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 15
  16. 16. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.I controventi reticolari concentrici possono essere distinti nelle seguenti tre categorie:— controventi con diagonale tesa attiva, in cui le forze orizzontali vengonoassorbite dalle sole diagonali tese, trascurando le diagonali compresse.— controventi a V, in cui le forze orizzontali devono essere assorbite considerandosia le diagonali tese che quelle compresse. Il punto d’intersezione di queste diagonaligiace su di una membratura orizzontale che deve essere continua.— controventi a K, in cui il punto d’intersezione delle diagonali giace su di unacolonna. Questa categoria non deve essere considerata dissipativa in quanto ilmeccanismo di collasso coinvolge la colonna. Pertanto, si deve assumere q = 1. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 16
  17. 17. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.c) controventi eccentrici: nei quali le forze orizzontali sono principalmente assorbiteda membrature caricate assialmente, ma la presenza di eccentricità di schema permettela dissipazione di energia nei traversi per mezzo del comportamento ciclico a flessionee/o taglio. I controventi eccentrici possono essere classificati dissipativi quando laplasticizzazione dei traversi dovuta alla flessione e/o al taglio precede il raggiungimentodella resistenza ultima delle membrature tese o compresse.d) strutture a mensola o a pendolo invertito: costituite da membrature pressoinflessein cui le zone dissipative sono collocate alla base.e) strutture intelaiate controventate: nelle quali le azioni orizzontali sono assorbitesia da telai che da controventi agenti nel medesimo piano. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 17
  18. 18. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.Criteri di dimensionamentoLa duttilità e le capacità dissipative di un organismo strutturale sotto azioni sismiche di tipodistruttivo dipendono non solo dalla tipologia strutturale, ma anche dai criteri didimensionamento adottati e dal dettaglio costruttivo delle zone dissipative. Con riferimento allestrutture intelaiate ed alle strutture con controventi sia concentrici che eccentrici, in relazione aicriteri di dimensionamento adottati, si distinguono due classi di duttilità:- strutture a bassa duttilità;- strutture ad alta duttilità.A tali strutture corrispondono, rispettivamente, i seguenti criteri di dimensionamento:- criteri puramente elastici, quando le membrature costituenti l’organismo strutturale vengonodimensionate sulla base dei valori delle azioni interne ricavati dall’analisi elastica globale.- criteri semplificati per il controllo del meccanismo di collasso, quando il dimensionamento deglielementi non dissipativi viene effettuato nel rispetto del criterio di gerarchia delle resistenze. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 18
  19. 19. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003. Fattore di struttura Il fattore di struttura q introdotto per tener conto della capacità di dissipazione dell’energia sismica, dipende dalla tipologia strutturale, dai criteri di dimensionamento, dalla duttilità locale delle membrature e dal grado di regolarità della configurazione strutturale. Pertanto, esso viene espresso per ciascuna tipologia strutturale nella forma seguente: q = ΨR q o dove: - q0 è il valore di riferimento del fattore di struttura dipendente dalla tipologia strutturale e dai criteri di dimensionamento adottati (classe di duttilità); -ΨR è un coefficiente di riduzione che tiene conto delle risorse di duttilità locale delle membrature impiegate. Nel caso di strutture costituite da membrature appartenenti a diverse categorie di duttilità il valore di ΨR deve essere assunto pari a quello della categoria inferiore. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 19
  20. 20. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003. Tali valori di q0 sono da intendersi validi a patto che vengano rispettate le regole di progettazione fornite dalla norma. In particolare, essi richiedono collegamenti a completo ripristino di resistenza progettati con un margine di sovraresistenza tale da consentire il completo sviluppo delle risorse di duttilità locale delle membrature collegate. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 20
  21. 21. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.α1 è il moltiplicatore della forza sismica orizzontale per il quale il primo elemento strutturaleraggiunge la sua resistenza flessionaleαu è il moltiplicatore della forza sismica orizzontale per il quale si verifica la formazione di unnumero di cerniere plastiche tali da rendere la struttura labile o avere instabilità globale.Il valore di αu/α1 può essere calcolato per mezzo di un’analisi statica non lineare e non può in ognicaso essere assunto superiore a 1,5.Qualora non si proceda ad una analisi non lineare per la valutazione di αu/α1, i seguenti valoripossono essere adottati:edifici a telaio di un piano αu/α1 = 1,1edifici a telaio a più piani, con una sola campata αu/α1 = 1,2edifici a telaio con più piani e più campate αu/α1 = 1,3edifici con controventi eccentrici αu/α1 = 1,2 Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 21
  22. 22. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.ANALISI STRUTTURALENella modellazione dell’organismo strutturale, gli impalcati si possono considerare rigidi nelproprio piano ai fini della analisi strutturale senza ulteriori verifiche, sea) essi sono realizzati in cemento armato;b) le eventuali aperture non influenzano significativamente la rigidezza globale nel loro piano. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 22
  23. 23. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Proprietà dei materialiLe proprietà dei materiali devono essere considerate variabili casuali.In genere si assumono i valori caratteristici, cioè i frattili 5 e 95%, come limite superiore edinferiore della loro variabilità.In genere si utilizza il solo limite inferiore (progettazione statica).In sismica diventa importante, a causa dei fenomeni di sovra-resistenza, anche il limite superioredelle caratteristiche del materiale.All’aumentare della variabilità delle caratteristiche del materiale, in genere diminuisce la duttilitàdelle costruzioni.D’altro canto aumenta la resistenza degli elementi strutturali.In genere l’effetto della variabilità non è considerato supponendo che i due effetti possano, inqualche modo, compensarsi. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 23
  24. 24. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Acciai StrutturaliGli acciai per le applicazioni strutturali si distinguono in genere tra acciai legati e non legati.Gli acciai non legati sono quelli in cui non si eccedono i limiti in tabella. Gli acciai legati sonoquelli in cui almeno un limite non è rispettato. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 24
  25. 25. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Acciai StrutturaliGli acciai non legati si dividono in 3 categorie:acciai base, devono soddisfare alcune limitazioni riguardo la loro composizione – in genere si ha fy <360 N/mm2, fu < 690 N/mm2acciai di qualitàacciai speciali, sono caratterizzati da una maggior purezza nei confronti delle inclusioni di materiali nonmetallici; si ottiene un miglioramento delle caratteristiche meccaniche mediante l’adozione di unaparticolare composizione chimica.Gli acciai non legati usualmente utilizzati nella carpenteria metallica sono gli acciai Fe360, Fe430 edFe510 nei gradi B, C e D.Gli acciai legati devono subire trattamenti per migliorare la loro resistenza e tenacità per poter essereutilizzati come materiale da costruzione.Di conseguenza devono subire un trattamento termico. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 25
  26. 26. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Acciai StrutturaliGli acciai legati si dividono in 2 categorie:acciai di qualità, devono soddisfare alcune limitazioni riguardo la loro composizione – in genere si ha fy< 380 N/mm2acciai speciali, sono caratterizzati da una composizione chimica ben precisa che garantisce proprietàmolto particolari cosicchè questi acciai possono essere utilizzati in una gran varietà di condizioni.In questa famigli di acciai, quelli da costruzione sono i tipi Fe420 ed Fe460, acciai a grana fine, saldabili. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 26
  27. 27. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Caratteristiche meccaniche degli acciaiLe caratteristiche meccaniche che sono di un certo interesse nell’ambito dell’ingegneria sismica sono:tensione di snervamento, tensione di rottura, modulo di elasticità, modulo iniziale di incrudimento,deformazione di snervamento, deformazione ultima, duttilità, coefficiente di Poisson, tenacità, durezza. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 27
  28. 28. Progettazione sismica di strutture in acciaio.L’incrudimento. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 28
  29. 29. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Effetto Bauschinger Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 29
  30. 30. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.Proprietà dei materialiL’acciaio costituente le membrature, le saldature ed i bulloni deve essere conforme ai requisiti prescrittinelle norme sulle costruzioni in acciaio, ove non diversamente specificato.Qualora l’acciaio impiegato sia di qualità diversa da quella prevista in progetto si dovrà procedere aduna ricalcolazione della struttura per dimostrarne l’adeguatezza.Per le zone dissipative si applicano le seguenti regole addizionali:- per gli acciai da carpenteria, comunque conformi alla normativa vigente, il rapporto fra la tensione dirottura fu e la tensione di snervamento fy deve essere maggiore di 1.20 e l’allungamento a rotturamisurato su provino standard deve essere non inferiore al 20%;- le saldature devono essere di prima classe;- i collegamenti bullonati devono essere realizzati con bulloni ad alta resistenza di classe 8.8 o 10.9comunque serrati in maniera tale da raggiungere un precarico pari a quello prescritto per le giunzioni adattrito.L’impiego di bulloni di classe 12.9 è consentito solo nel caso di unioni a taglio. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 30
  31. 31. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Proprietà dei collegamenti trave-colonna Le strutture quindi possono essere dissipative e non dissipative.Le strutture non dissipative devono resistere ai terremoti di intensità più elevata solo grazie alle risorseelastiche, mentre le strutture dissipative sono progettate in modo da consentire lo sfruttuamento dellerisorse post-elastiche in alcune zone, dette appunto dissipative.Durante terremoto di elevata intensità, quindi, l’energia cinetica è dissipata mediante le caratteristicheduttili isteretiche in campo plastico di dette zone.La formazione di appropriati meccanismi dissipativi è correlata con la particolare tipologia strutturaleconsiderata.I collegamenti trave-colonna devono possedere sufficiente resistenza e duttilità da consentire elevaterotazioni in corrispondenza delle travi e quindi la formazione delle cerniere plastiche.La duttilità dei collegamenti è un importante prerequisito dei collegamenti in zona sismica e deve esseregarantita dal progetto o da opportune analisi sperimentali. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 31
  32. 32. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Definizione di nodo trave-colonna Left connection Right connection Beam-to-column joint Column web panel Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 32
  33. 33. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Definizione di nodo trave-colonna Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 33
  34. 34. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Sollecitazioni agenti sul nodo Superior column N M v F M v N N v M Bending moment Left Connection v Right Connection M N Inferior column Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 34
  35. 35. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Schematizzazione del nodo trave-colonna: analisi elastica lineare Column Column Beam Beam Fixed Pinned Nodo incastrato e nodo incernierato Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 35
  36. 36. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Introduzione del nodo nella struttura. Pinned Fixed Strutture a telaio e strutture controventate Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 36
  37. 37. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Schematizzazione del nodo trave-colonna: analisi elastica lineare Column Column Beam Beam Fixed Pinned Nodo incastrato e nodo incernierato Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 37
  38. 38. Progettazione sismica di strutture in acciaio.I nodi semi-rigidi c Mj c c Diagramma momento rotazione. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 38
  39. 39. Progettazione sismica di strutture in acciaio.I nodi semi-rigidi K eq K eq K eq,conn K eq,conn K eq,sp (a) (b) Schematizzazione di un nodo semi-rigido in campo statico (a) ed in campo sismico (b). Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 39
  40. 40. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Classificazione dei nodi trave-colonna in funzione dellarigidezza:nodi a cerniera;nodi semi-rigidi;nodi rigidi. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 40
  41. 41. Progettazione sismica di strutture in acciaio. Classificazione dei nodi trave-colonna in funzione della resistenza:nodi a parziale rispristino di resistenza e nodi a pieno rispristino di resistenza Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 41
  42. 42. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Proprietà cicliche dei nodi trave-colonnaDa un punto di vista delle proprietà per azioni cicliche la legge costitutiva del nodo può essere stabile oinstabile a seconda che conservi o meno le caratteristiche esibite per azioni monotone all’aumentare deicicli.In genere si realizzano i seguenti casi: - i nodi esibiscono caratteristiche stabili; resistenza, rigidezza ed area del ciclo rimangono pressochécostanti all’aumentare del numero dei cicli; - i nodi esibiscono comportamento instabile a causa delle deformazioni permanenti in corrispondenzadei fori e dei bulloni; - i nodi esibiscono caratteristiche instabili a causa dello scorrimento dei bulloni Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 42
  43. 43. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Valutazione delle caratteristiche dei nodi trave-colonnaEsistono diversi approcci per la valutazione delle caratteristiche di nodi-trave colonna che si possonodistinguere in:- metodi matematici- modelli analitici- modelli meccanici- modelli numerici. Modellazione della legge momento-rotazione del nodo Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 43
  44. 44. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Cenno ai modelli meccanici per componentiI modelli meccanici dei nodi trave-colonna costituiscono un metodo atto a rappresentare il lorocomportamento poiché, una volta nota la legge costituiva di ogni elemento elastico, ricavataattraverso prove sperimentali, numeriche o con opportuni modelli analitici, l’insieme di elementirigidi e deformabili permette di sovrapporre i contributi delle singole parti del nodo, ottenendo unmodello complessivo. Welded joint Connection Web panel in shear Modello di Tschemmernegg e Humer Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 44
  45. 45. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Il metodo per componenti nei nodi in acciaioIl metodo integra in un opportuno schema di funzionamento meccanico, più modelli analitici sviluppati perciascun elemento funzionale (componente) del collegamento trave-colonna. La procedura del metodo puòessere brevemente riassunta in quattro fasi: - identificazione degli elementi funzionali (componenti) e la loro schematizzazione; - individuazione per ciascuna componente delle caratteristiche della sollecitazione cui è soggetta; - definizione delle loro proprietà strutturali (resistenza e rigidezza);assemblaggio delle componenti in un opportuno schema meccanico di funzionamento. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 45
  46. 46. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Componenti meccaniche del nodo Nc,sd,up(1): anima della colonna soggetta a taglio; Mc,sd,up Vc,sd,up(2): anima della colonna soggetta acompressione;(3): anima della colonna soggetta a trazione; 9 Mb,sd,right(4): flangia della colonna soggetta a flessione; Mb,sd,left 7 5 3 Nb,sd,left 1 Nb,sd,right(5): flangia di collegamento soggetta a 4 6 2flessione;(6): anima e flangia della trave soggette a 8compressione; Vb,sd,left Vb,sd,right(7): anima della trave soggetta a trazione;(8): bulloni soggetti a taglio; Vc,sd,down(9): bulloni soggetti a trazione. Nc,sd,down Mc,sd,down Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 46
  47. 47. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Componenti soggette a flessione 0.8r F F e m l tf F F Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 47
  48. 48. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Modalità di rottura F F F mode 3 mode 2 mode 1 B B Q B B Q Q B B Q Plastic hinge Bending moment in flange Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 48
  49. 49. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Modalità di rotturaQuando la rigidezza flessionale delle flange è minore rispetto a quella estensionale dei bulloni, siverifica il primo modo di collasso (modo duttile). Ft,RD 0.5 F +Q t,RD 0.5 F +Q t,RD Q dw dw Q n m m n Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 49
  50. 50. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Schematizzazione del T-stub equivalente secondo la sua componente meccanica. leff zone in tension single bolt-row leff leff Ft,T-stub Ft,T-stub Ft,T-stub Ft,RD K el,T-stub y u Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 50
  51. 51. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Componenti soggette a trazione anima della colonna soggetta a trazione. 15 tcwl eff,T-stub (2) T-stub (2) Ft,RD,cwleff,T-stub (1) T-stub (1) 15 tcw zone in tension Non irrigidita Irrigidita Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 51
  52. 52. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Componenti soggette a trazione: anima della trave soggetta a trazione. leff,T-stub (2) T-stub (2) Ft,RD,bw Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 52
  53. 53. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Componenti soggette a compressione: anima della colonna soggetta a compressione. zone in compression beff,c,cw Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 53
  54. 54. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Anima della colonna soggetta a taglio. Column web panel Column web panel in shear in shear F MConn F MConn z z F F (a) (b) Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 54
  55. 55. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.REGOLE DI PROGETTO E DI DETTAGLIO PER STRUTTURE DISSIPATIVEGeneralitàLe regole di progetto si applicano alle parti delle strutture sismo-resistenti progettate in accordo con ilconcetto di comportamento strutturale dissipativo. Tali regole si ritengono soddisfatte se anche le regoledi dettaglio sono rispettate.Regole di progettoLe strutture con zone dissipative devono essere progettate in maniera tale che queste zone si sviluppinoin quelle parti della struttura in cui la plasticizzazione o l’instabilità locale o altri fenomeni di degradodovuti al comportamento isteretico non influenzano la stabilità globale della struttura.Le parti strutturali delle zone dissipative devono avere adeguata resistenza e duttilità.La resistenza deve essere verificata in accordo con la normativa vigente.Le parti non dissipative delle strutture dissipative ed i collegamenti delle parti dissipative al resto dellastruttura devono possedere una sufficiente sovraresistenza per consentire lo sviluppo dellaplasticizzazione ciclica delle parti dissipative. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 55
  56. 56. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.REGOLE DI DETTAGLIOCollegamenti in zone dissipativeI collegamenti in zone dissipative devono avere sufficiente sovraresistenza per consentire laplasticizzazione delle parti collegate.Si ritiene che tale requisito di sovraresistenza sia soddisfatto nel caso di saldature di prima classe acompleta penetrazione.Nel caso di collegamenti con saldature a cordoni d’angolo e nel caso di collegamenti bullonati il seguenterequisito deve essere soddisfatto:Rd ≥ 1.20 · s · Rydove: Rd è la resistenza di progetto del collegamento, Ry è la resistenza plastica della membraturacollegata.Nel caso di membrature duttili e plastiche, il coefficiente s tiene conto della sovraresistenza che lamembratura può sviluppare a seguito dell’incrudimento (1 ≤ s ≤ fu/fy), essendo fu e fy rispettivamente latensione ultima e la tensione di snervamento della membratura collegata). Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 56
  57. 57. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.REGOLE DI DETTAGLIOCollegamenti in zone dissipativeIl requisito di sovraresistenza dei collegamenti non deve essere applicato nel caso di collegamenti specialiprogettati allo scopo di contribuire significativamente alla dissipazione dell’energia sismica.L’efficacia di tali collegamenti in termini di resistenza, rigidezza e capacità di dissipare energia deveessere dimostrata mediante opportune prove sperimentali.Nel caso di collegamenti bullonati soggetti a taglio, il collasso per rifollamento deve precedere il collassoa taglio dei bulloni. I bulloni devono essere adeguatamente serrati secondo quanto prescritto per giuntiad attrito. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 57
  58. 58. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.REGOLE DI DETTAGLIOCollegamenti in zone dissipativeil parametro s che esprime il rapporto fra la tensione che determina la instabilità locale e la tensione disnervamento:dove fu è la tensione ultima, fy è la tensione di snervamento, bf è la larghezza delle flange, L* è ladistanza tra il punto di nullo del diagramma del momento e la cerniera plastica (zona dissipativa), λf e λwsono parametri di snellezza delle flange e dell’anima, dati da: Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 58
  59. 59. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.REGOLE DI DETTAGLIOCollegamenti in zone dissipative… essendo tf lo spessore delle flange, tw lo spessore dellanima dw,e la parte compressa dell’anima datada:dove: dw è l’altezza dell’anima,A è l’area della sezione,Aw è l’area dell’animaρ = Nsd/A fy è il rapporto fra lo sforzo normale di progetto e lo sforzo normale plastico. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 59
  60. 60. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Duttilità locale e duttilità globaleLa capacità di un elemento o di un sistema strutturale di deformarsi oltre il limite di snervamento senzasubire significative diminuzioni della resistenza è usualmente indicata col termine di duttilità.La duttilità può essere “locale” se riferita ad un singolo elemento strutturale, “globale” quando riferitaall’intera struttura.Le caratteristiche plastiche di una struttura dipendono dalla ridistribuzione dei momenti flettenti: ilraggiungimento del predefinito carico di collasso dipende non solo dalla posizione delle cerniereplastiche dove le sezioni raggiungono la piena plasticizzazione, ma anche dalle capacità di sviluppare lerotazioni anelastiche che possono svilupparsi in altre cerniere plastiche. Quindi le cerniere plastiche devono essere caratterizzate da una certa duttilità, chiamata in generecapacità rotazionale.La capacità rotazionale è in genere connessa alla deformazione ultima del materiale che però può nonessere raggiunta a causa di alcuni fenomeni, quali ad esempio l’instabilità flesso-torsionale, l’instabilitàlocale e le rotture fragili. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 60
  61. 61. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Instabilità flesso-torsionaleL’instabilità flesso-torsionale può impedire ad un elemento di raggiungere il suo momento plastico durantela rotazione plastica, poiché le plasticizzazioni riducono sensibilmente la resistenza allo sbandamentolaterale; il momento flettente sopportabile dalla sezione diminuisce all’aumentare della sezione.Occorre quindi prevenire tale fenomeno vincolando opportunamente le sezioni in cui si localizzano ifenomeni plastici sì da impedire spostamenti laterali della flangie e torsionali della sezione.Instabilità localeL’instabilità locale è una distorsione della forma della sezione ed i suoi effetti causano una diminuzionesensibile della capacità portante dell’elemento strutturale.L’instabilità locale può essere evitata prevedendo un rapporto larghezza-spessore minimo per le sezionistrutturaliRotture fragiliLe rotture fragili del materiale causano un’improvvisa diminuzione della capacità portante della sezionesenza aumento della rotazione e possono avere conseguenze catastrofiche. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 61
  62. 62. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Classificazione delle sezioni: la classe di una sezione dipende dal rapporto larghezza-spessoredei suoi elementi soggetti a compressione Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 62
  63. 63. Progettazione sismica di strutture in acciaio.Valutazione della capacità rotazionaleLa capacità rotazionale può essere valutata come il rapporto tra la rotazione plastica al collasso e larotazione elastica.Esistono diversi metodi per il calcolo della capacità rotazionale. Tali metodi posso in generaleessere divisi in tre gruppi: - metodi teorici; - metodi semi-empirici; - metodi empirici.L’Ordinanza prevede che la rotazione di collasso di elementi in struttura in acciaio possa esserecalcolata mediante sperimentazione diretta, modellazione numerica considerando le non linearitàgeometriche e meccaniche del materiale, ovvero mediante il metodo descritto nell’Allegato 11.cdell’Ordinanza stessa. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 63
  64. 64. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturaliParti compresse delle membratureSufficiente duttilità locale delle membrature o di parti di membrature soggette a compressione deveessere assicurata limitando i rapporti larghezza-spessore b/t delle parti che compongono la sezione.In funzione della loro capacità di deformazione plastica, le membrature si distinguono in trecategorie di duttilità: - duttili, quando l’instabilità locale delle parti compresse della sezione si sviluppa in campo plasticoed è sufficientemente ritardata in maniera tale che la membratura sia in grado di sviluppare grandideformazioni plastiche in regime incrudente senza significative riduzioni della capacità portante; - plastiche, quando l’instabilità locale si sviluppa in campo plastico, ma i rapporti larghezza-spessore non sono tali da consentire deformazioni plastiche significative;- snelle, quando l’instabilità locale avviene in campo elastico, senza consentire l’inizio diplasticizzazioni. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 64
  65. 65. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.Nel caso di profili a doppio T, inflessi o pressoinflessi, e con riferimento agli usuali acciai dacarpenteria, ai fini della suddetta classificazione si può impiegare il parametro s.I valori limite del parametro s che identificano le diverse categorie di comportamento dellemembrature sono:- duttili s ≥ 1.20- plastiche 1 ≤ s < 1.20- snelle s ≤ 1.00I valori q0 del fattore di struttura forniti al punto 6.3.3 sono da intendersi come valori di riferimentovalidi nel caso di membrature di prima classe. Pertanto, ai suddetti valori si applicano i seguenticoefficienti di riduzione in accordo con la categoria delle membrature in cui sono collocate le zonedissipative:- duttili ΨR = 1.00- plastiche ΨR = 0.75- snelle ΨR = 0.50L’impiego di membrature snelle è consentito solo in zone di bassa sismicità. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 65
  66. 66. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.Parti tese delle membratureNel caso di membrature tese o di parti di membrature, la resistenza plastica di progetto deverisultare inferiore alla resistenza ultima di progetto della sezione netta in corrispondenza dei fori peri dispositivi di collegamento. Ciò richiede il rispetto della relazione seguente:essendo Anet l’area netta in corrispondenza dei fori ed A l’area lorda.FondazioniIl valore di progetto delle azioni deve essere dedotto nell’ipotesi di formazione di cerniere plasticheal piede delle colonne, tenendo conto della resistenza effettiva che tali cerniere sono in grado disviluppare a causa dell’incrudimento. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 66
  67. 67. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.Diaframmi e controventi orizzontaliÈ necessario verificare che i diaframmi ed i controventi orizzontali siano in grado di trasmettere nelloro piano ai diversi elementi sismo-resistenti verticali da essi collegati le forze derivanti dalla analisidi insieme dell’edificio moltiplicate per un fattore di amplificazione pari a 1.5.Per le parti in cemento armato dei diaframmi orizzontali le seguenti regole vanno rispettate:- i diaframmi devono essere armati in due direzioni ortogonali e le armature devono essereopportunamente ancorate;- quando il diaframma presenta nervature parallele, armature addizionali devono essere dispostenella soletta nella direzione ad esse ortogonale (almeno 2 cm2 / ml);- possono essere impiegate piastre prefabbricate, purché ciascuna sia armata in due direzioniortogonali e siano collegate alle travi di appoggio e fra loro nei quattro vertici in modo da creare unsistema a traliccio nel piano orizzontale. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 67
  68. 68. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.Regole di dettaglio per le strutture intelaiateIn relazione ai criteri di progettazione adottati, le zone dissipative nei telai possono essere collocatealle estremità delle travi, alle estremità delle colonne, nei pannelli nodali e nei collegamenti.Al fine di conseguire un comportamento duttile, i telai devono essere progettati in maniera tale chele cerniere plastiche si formino nelle travi piuttosto che nelle colonne. Questo requisito non èrichiesto con riferimento alle sezioni di base del telaio, alle sezioni di sommità delle colonnedell’ultimo piano degli edifici multipiano e nel caso di edifici monopiano.Tale obiettivo può essere conseguito in maniera più o meno estesa in funzione dei criteri diprogettazione adottati. Pertanto, a tale riguardo i telai si distinguono in:- telai a bassa duttilità;- telai ad alta duttilità. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 68
  69. 69. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.Regole di dettaglio per i controventi concentriciClassi di duttilitàNel caso dei controventi concentrici il comportamento sismico inelastico ed, in particolare, lacapacità di sviluppare un comportamento di tipo dissipativo sono in parte influenzati dai criteri didimensionamento adottati, ma dipendono anche dalla tipologia di controvento. Pertanto, inrelazione a tali fattori si distinguono due classi di duttilità- controventi concentrici a bassa duttilità- controventi concentrici ad alta duttilità. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 69
  70. 70. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.Regole di dettaglio per i controventi eccentriciI controventi eccentrici si fondano sull’idea di irrigidire i telai per mezzo di diagonali eccentriche chedividono la trave in due o più parti. La parte più corta in cui la trave risulta suddivisa viene chiamata«link» ed ha il compito di dissipare l’energia sismica attraverso deformazioni plastiche ciclichetaglianti e/o flessionali.I «link» vengono denominati «corti» quando la plasticizzazione avviene per taglio, «lunghi» quando laplasticizzazione avviene per flessione e «intermedi» quando la plasticizzazione è un effettocombinato di taglio e flessione.Al fine di conseguire un comportamento duttile, i controventi eccentrici devono essere progettati inmaniera tale che la plasticizzazione impegni i «link» piuttosto che le colonne. Tale obiettivo diprogettazione può essere conseguito in misura più o meno estesa in funzione dei criteri diprogettazione adottati. Pertanto, a tale riguardo i controventi eccentrici si distinguono in:- controventi eccentrici a bassa duttilità- controventi eccentrici ad alta duttilità. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 70
  71. 71. La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.Strutture a mensola o a pendolo invertitoNelle strutture a mensola sismo-resistenti dissipative devono essere verificate le colonne ed il lorocollegamento alla fondazione. In particolare, i collegamenti colonna-fondazione devono essereprogettati in accordo con quanto previsto dalla norma. Il periodo di vibrazione deve essere inferiorea 2.5 secondi e la snellezza nel piano della azione sismica deve essere inferiore a 150.Lo sforzo assiale di progetto NSd deve essere inferiore a Ncr,e/5, essendo Ncr,e il carico criticoeuleriano nel piano di flessione. Le membrature devono essere di categoria duttile.Strutture intelaiate controventateQualora siano presenti sia telai che controventi agenti nel medesimo piano, l’azione orizzontalepotrà essere ripartita in funzione delle loro rigidezze elastiche.I telai ed i controventi dovranno essere conformi a quanto previsto nei corrispondenti punti diquesta norma. Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 71

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