ESEMPIO DI EDIFICIO IN ACCIAIO CON CONTROVENTI CONCENTRICI

Tratto dalla Collana di Manuali per la Progettazione secondo le Norme tecniche per le costruzioni in zona sismica di cui all’Ordinanza 3274/03

“Edifici con struttura in Acciaio in Zona Sismica” di F.M. Mazzolani, R. Landolfo, G. Della Corte, B. Faggiano

Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n° 3274 del 20 marzo 2003

Norme Tecniche per le Costruzioni D.M. 4 febbraio 2008

NORMATIVE DI RIFERIMENTOLe verifiche strutturali sono condotte in accordo alle prescrizioni dell’Ordinanza e della normativa Europea rappresentata dai seguenti Eurocodici:

- OPCM 3431/05

EN 1991-1-1: 2002 Eurocode 1: Actions on Structures – Part 1-1: General actions-Densities, self-weight, imposed loads for buildings;

EN 1992-1-1: 2003 Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1-1: General rules end rules for buildings;

EN 1993-1-1: 2003 Eurocode 3: Design of Steel structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings;

EN 1994-1-1: 2004 Eurocode 4: Design of Composit Steel and Concrete structures –Part 1-1: General rules and rules for buildings;

EN 1998-1-1: 2004 Eurocode 8: Designe of structures for earthquake resistance –Part 1-1: General rules, seismic actions and rules for buildings;

- DM 04/02/08

Esempio con Controventi Concentrici

- DM 17/01/18

EDIFICIO CON CONTROVENTI CONCENTRICI AD ‘X’DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA:1) Pianta rettangolare di dimensioni 20,40m x 12,30m;

2) Numero di piani pari a 5, con altezza interpiano di 3,50m, ad eccezione del primo interpiano di 4,00m;

3) Destinazione d’uso per civile abitazione;

4) La parte sismoresistente è realizzata attraverso l’introduzione di un adeguato numero di controventi concentrici ad X, opportunamente distribuiti in pianta;

5) Gli impalcati, che hanno la duplice funzione di portare i carichi verticali e di trasmettere le azioni orizzontali agli elementi di controvento, sono realizzati con lamiera grecata in acciaio e getto di calcestruzzo collaborante.

Esempio con Controventi Concentrici

MATERIALI UTILIZZATI

I materiali adottati sono quelli indicati nella seguente tabella, insieme alle relative caratteristiche meccaniche e ai coefficienti parziali di sicurezza, in accordo alle prescrizioni del DM 08.

Nel progetto sono state impiegate tre classi di acciaio ( S235, S275, S355) sfruttando, così, la quarta dimensione delle costruzioni metalliche

Esempio con Controventi Concentrici

Esempio con Controventi Concentrici

2.5.3 Combinazione dell’azione sismica con le altre azioni

Esempio con Controventi Concentrici

2.5.3 Combinazione delle azioni

Esempio con Controventi Concentrici

2.5.3 Combinazione delle azioni

7.2.5 Requisiti Strutturali degli elementi di Fondazione

7.2 Criteri generali di Progettazione

7.3 Metodo di analisi e criteri di verifica

7.3.5 Risposta alle diverse componenti dell’azione sismica ed alla variabilità spaziale del moto

7.3.6 Rispetto dei Requisiti nei confronti degli stati limite

La verifica allo stato limite di danno si effettua controllando che le azioni sismiche di esercizio SLD inducano spostamenti compatibili con la normale funzionalità della struttura

• dr < 0.005h, per edifici con tamponamenti collegati rigidamente alla struttura, che interferiscono con la deformabilità stessa;

• dr ≤ drp ≤ 0.01h, per edifici con tamponamenti progettati in modo da non subire danni a seguito di spostamenti di interpiano, per effetto della loro deformabilità intrinseca ovvero dei collegamenti alla struttura

Spostamento interpiano dr

7.3.6.1 ELEMENTI STRUTTURALI

Verifiche di Rigidezza (RIG)

7.3 Metodo di analisi e criteri di verifica

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

Esempio con Controventi Concentrici

ANALISI DEI CARICHI UNITARISOLAIO DI LAMIERA GRECATA E CALCESTRUZZO:Si utilizza una lamiera grecata di spessore 1mm, alta 55mm e con passo tra le nervature di 600mm. La soletta di calcestruzzo collaborante ha spessore di 65mm, in modo tale che il solaio composto possa essere considerato diaframma rigido secondo le indicazioni dell’eurocodice 4.

Le tamponature esterne si ipotizzano realizzate con pannelli prefabbricati leggeri il cui peso unitario è uguale a 1,5 KN/mq. Il peso della tamponatura distribuito a metro lineare lungo la trave è quindi uguale a 5,25 KN/m o 5,65 KN/m, per altezza di interpiano rispettivamente pari a 3,50 e 4,00m. Per la copertura si considera un carico neve pari a 2,00 KN/mq.

Si riportano in tabella i valori caratteristici dei carichi permanenti e variabili per il solaio tipo, di copertura e per le scale.

Esempio con Controventi Concentrici

VERIFICA DEL SOLAIO

Verifiche della lamiera in fase di getto

- Verifica di resistenza: per tale verifica si deve tener conto dei seguenti carichi agenti sulla lamiera:

1) carico permanente dovuto al peso proprio del calcestruzzo e della lamiera;2) sovraccarichi variabili in fase di costruzione, inclusi eventuali accumuli

locali di calcestruzzo.

- Verifica di deformabilità: freccia massima dovuta al carico permanente caratteristico inferiore al minore tra i seguenti limiti: flim= min (L/180; 20mm);

SLU SLE

Verifiche in fase di getto - resistenza a flessione;

- resistenza al taglio

- deformabilità

Verifiche a maturazione avvenuta

- resistenza a flessione;

- resistenza allo scorrimento;

- resistenza al punzonamento ed al taglio

- deformabilità

- fessurazione

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

VERIFICA DEL SOLAIO

Verifica del solaio a maturazione avvenuta

- Verifica di resistenza a flessione: lo stato limite ultimo di resistenza flessionale corrisponde alla completa plasticizzazione della sezione.

- Verifica di resistenza a taglio: la resistenza a taglio di un solaio in sezione composta, relativa ad una larghezza pari all’interasse tra le nervature, si determina considerando gli stessi meccanismi che si possono manifestare in una sezione in C.A. equivalente.

- Verifica di deformabilità: la freccia massima in campata per la

combinazione frequente deve essere inferiore a L/250, in aggiunta nel caso di solai caricati da tramezzi non flessibili, tale limite sale a L/350.

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

4.3.3 Resistenze di calcolo

Si assumono per i differenti materiali le resistenze caratteristiche fk:

fyk resistenza caratteristica dell’acciaio strutturale

fsk resistenza caratteristica delle barre d’armatura

fpk resistenza caratteristica della lamiera grecata

fck, resistenza caratteristica del calcestruzzo.

Nelle verifiche agli SLU: gC (calcestruzzo) = 1,5;

gA (acciaio da carpenteria) = 1,05;

gS (acciaio da armatura) = 1,15;

gV (connessioni) = 1,25.

Nelle verifiche agli SLE: gM = 1.

Sezioni miste acciaio -cls

4.3.6 Solette composte con lamiera grecata

Si definisce come composta una soletta in calcestruzzo gettata su una lamiera grecata, in cui quest’ultima, ad avvenuto indurimento del calcestruzzo, partecipa alla resistenza dell’insieme costituendo interamente o in parte l’armatura inferiore.

La trasmissione delle forze di scorrimento all’interfaccia fra lamiera e calcestruzzo non può essere affidata alla sola aderenza, ma si devono adottare sistemi specifici che possono essere:

• a ingranamento meccanico fornito dalla deformazione del profilo metallico o ingranamento ad attrito nel caso di profili sagomati con forme rientranti, (a) e (b);

• ancoraggi di estremità costituiti da pioli saldati o altri tipi di connettori, purchè combinati a sistemi ad ingranamento, (c);

• ancoraggi di estremità ottenuti con deformazione della lamiera, purchè combinati con sistemi a ingranamento per attrito, (d).

Una soletta continua può essere progettata come una serie di campate semplicemente appoggiate; in corrispondenza degli appoggi intermedi si raccomanda di disporre armature secondo le indicazioni del § 4.3.6.3.1.

4.3.6.1 Analisi per il calcolo delle sollecitazioni

4.3.6 Solette composte con lamiera grecata

Larghezza efficace per forze concentrate o lineari

Diffusione a 45° sino al lembo superiore

- resistenza a flessione;

- resistenza allo scorrimento;

- resistenza al punzonamento ed al taglio.

Ai fini della verifica allo scorrimento occorre conoscere la resistenza a taglio longitudinale di progetto tu,Rd tipica della lamiera grecata prevista.

4.3.6.2 Verifiche di resistenza allo stato limite ultimo

4.3.6 Solette composte con lamiera grecata

Figura C4.3.11 Distribuzione plastica delle tensioni allo stato limite ultimo. (a) asse neutro nel calcestruzzo sopra la lamiera. (b) asse neutro che taglia la lamiera grecata.

4.3.6 Solette composte con lamiera grecata

- Verifiche a fessurazione: - nelle regioni di momento negativo di solette continue - nella mezzeria di solette semplicemente appoggiate

- Verifiche di deformabilità: Effetto dello scorrimento Calcolo delle frecce

4.3.6.3 Verifiche di resistenza allo stato limite di esercizio

4.3.6.4 Verifiche della lamiera grecata nella fase di getto

- Verifiche agli stati limite di esercizio < L/180 o 20 mm

- Verifiche di resistenza della lamiera grecata (UNI EN1993-1-3)

Si considera efficace la sola lamiera grecata, attribuendo al calcestruzzo esclusivamente la funzione di contrasto all’imbozzamento locale profilati sottili di acciaio formati a freddo (UNI EN1993-1-3)

4.3.6 Solette composte con lamiera grecata

4.3.6.5 Dettagli costruttiviSpessore minimo delle lamiere grecate:

non deve essere inferiore a 0,8 mm, potrà essere ridotto a 0,7 mm quando in fase costruttiva vengano studiati idonei provvedimenti atti a consentire il transito in sicurezza di mezzi d’opera e personale.

Spessore della soletta:

- altezza complessiva del solaio composto non deve essere minore di 80mm (*90mm);

- spessore del calcestruzzo hc non deve essere minore di 40 mm (*50mm).

*soletta e tlamiera: membratura composta; soletta: utilizzata come diaframma orizz.

Inerti:

La dimensione nominale dell’inerte dipende dalla più piccola dimensione dell’elemento strutturale nel quale il calcestruzzo è gettato.

Appoggi:

- larghezza di appoggio minima di 75mm (*100mm);

- dimensione di appoggio del bordo della lamiera grecata di almeno 50mm (*70mm)

*solette composte sostenute da elementi di diverso materiale

ESEMPIO: Solaio misto acciaio-cls

Pavimento in linoleum

Rete elettrosaldata

Massetto

Soletta collaborante

Lamiera grecata

Y

X

Pianta orditura solaio

Solaio tipo

DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA

S C H E M A S T A T IC O (S L E )

qq

fre c c ia

IE

lqf

4

384

5

ESEMPIO: Solaio misto acciaio-cls

VERIFICA ALLO SLE

Freccia elastica

Peso del solaio del piano tipo Carichi fissilamiera grecata (spessore 1.5mm ed altezza 75 mm) 20.65 kg/m2

riempimento in cls (spessore di 5.5 cm) 0,055m2500kg/m3 133.50 kg/m2

riempimento degli alveoli in cls 48.75 kg/m2

Carichi semifissimassetto in cls alleggerito 0,03m2100 kg/m3 63.00 kg/m2

pavimentazione[2] (spessore 3cm) 30.00 kg/m2

controsoffittatura 20.00 kg/m2

incidenza tramezzi 150.00 kg/m2

Carichi accidentalicarico di esercizio sul solaio per civile abitazione 200.00 kg/m2

carico totale 666.00 kg/m2

Analisi dei carichi

campata 1-3-5

appoggio 2

campata 2-4

appoggio 3

campata 1

appoggio 2

campata 2

appoggio 4

appoggio 5

Mmax C

T

+

-

CTMmax

def. tensione

tensionedef.

ESEMPIO: Solaio misto acciaio-cls

VERIFICA ALLO SLU

MOMENTO RESISTENTE

MOMENTO AGENTE

-1749.11-2109.24

978.141653.00

4 5 6

Condizioni di carichi

-2109.24-1749.11

1653.00

978.141 2 3

SOLAIO A 5 CAMPATE

-2375.22

1533.96 1533.96

1 2 3

SOLAIO A 2 CAMPATE

2/239215.1

2750

15.1cmkg

ff y

d

2/110 cmkgcu

VERIFICA DELLE TRAVI:Per tutte le membrature costituenti l’impalcato si può assumere il modello di calcolo di trave semplicemente appoggiata.

Calcolo delle sollecitazioni

Schema 1) travi secondarie Schema 2) travi principali

Contributo travi secondarie

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

4.2.4.1.2 Resistenza delle membrature

Verifica di resistenza a flessione

- MEd è il massimo momento flettente sollecitante;

- Mc,Rd è il valore di progetto del momento flettente resistente della sezione trasversale;

-Mpl,Rd è il momento di plasticizzazione della sezione;

-Wpl è il modulo di resistenza plastico della sezione;

Il Momento resistente dipende dalla classe di duttilità della sezione trasversale della membratura, che si definisce in base al valore della snellezza locale delle parti compresse della sezione.

Nel caso di appartenenza alla classe 1 (sezione duttile) la resistenza trasversale è data dal momento di piena plasticizzazione:

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

Verifica di resistenza a taglio

-Dove:

Vc,Rd è la resistenza plastica a taglio della sezione, che si può calcolare in accordo con l’EC3 mediante la formula seguente:

Area resistente a taglio per profili laminati ad I ed H con carico parallelo all’anima della trave

4.2.4.1.2 Resistenza delle membrature

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

4.2.4.1.2.4

Taglio

Per profili ad I e ad H

Per profili a C e ad U

Per profili a I e ad H caricati nel piano delle ali

Per profili a T caricati nel piano dell’anima

Per profili rettangolari cavi

Per sezioni circolari cave

4.2.4.1.2 Resistenza delle membrature

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

VERIFICA DELLE TRAVI AGLI STATI LIMITE ULTIMI

Verifica di resistenza combinata taglio – momento flettente

In accordo con l’EC3, il momento resistente plastico della sezione trasversale di una trave deve essere ridotto per la contemporanea presenza del taglio (Vsd) quando il valore di quest’ultimo supera metà della resistenza plastica a taglio ( Vpl,Rd).

Che vale nel rispetto della seguente limitazione:

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

Travi inflesse Momento resistente di progetto per instabilità

Fattore di riduzione per l’instabilità flesso-torsionale, dipendente dal tipo di profilo impiegato

Tabella per ricavare il fattore di imperfezione aLT

4.2.4.1.3 Stabilità delle membrature

4.2.4.1 Verifiche agli stati limite ultimi

b = 1 e comunque b > 0.75

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

VERIFICA DELLE TRAVI AGLI STATI LIMITE DI ESERCIZIO

Verifica di deformabilita’

E’ necessario controllare che spostamenti e vibrazioni siano contenuti entro limiti prestabiliti allo scopo di scongiurare danni alle finiture o agli elementi non strutturali, in modo tale che la funzionalità della struttura non sia pregiudicata. Per tale verifica si considera la combinazione di carico frequente.

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

VERIFICA DELLE COLONNE

CALCOLO DELLE SOLLECITAZIONI

Le colonne che appartengono allo schema pendolare sono soggette prevalentemente a sforzo normale di compressione dovuto ai carichi gravitazionali. Lo sforzo normale di progetto delle colonne si può determinare adottando la metodologia basata sulle aree d’influenza. Il carico di progetto è comprensivo dei carichi permanenti e di quelli variabili.

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

Sezioni di classe 1, 2 e 3

Aste Compresse

Sezioni di classe 4 Sezioni di classe 1, 2 e 3

Sezioni di classe 4

Coefficienti dipendenti dal tipo sezione, acciaio e dalla snellezza

4.2.4.1.3 Stabilità delle membrature

4.2.4.1 Verifiche agli stati limite ultimi

a = fattore di imperfezione

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

VERIFICA DELLE COLONNE AGLI STATI LIMITE ULTIMI

Verifica di stabilità

In accordo con l’EC 3, la verifica di stabilità a compressione centrata di una colonna risulta soddisfatta se:

VERIFICA PER CARICHI VERTICALI

COLLEGAMENTO TRAVE - SOLAIO

Per trasmettere le azioni orizzontali dell’impalcato ai controventi verticali si utilizzano connettori trave – solaio.

I connettori si dispongono in corrispondenza degli allineamenti di travi delle maglie controventate.

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI

EUROCODICE 4

Collegamento trave secondaria – trave principale

Le travi secondarie sono collegate a quelle principali tramite squadrette angolari bullonate.

TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTO

COLLEGAMENTO TRAVE - COLONNA

Esso è realizzato mediante l’impiego di squadrette angolari bullonate. Si evidenzia l’importanza di avere un collegamento sufficientemente approfondito su tutta l’altezza dell’anima della trave, in modo da vincolare adeguatamente la trave stessa contro la rotazione torsionale della sua sezione di estremità.

TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTO

COLLEGAMENTO COLONNA - COLONNA

Le colonne soggette ai soli carichi gravitazionali lavorano in regime prevalente di sforzo normale. Il collegamento tra i tronchi di colonna appartenenti allo stesso allineamento verticale di pilastri può essere realizzato con un giunto flangiato, con bulloni progettati a taglio. E’ comunque opportuno garantire una resistenza flessionale minima, per tenere conto di momenti secondari dovuti all’eccentricità degli scarichi delle travi e per dare stabilità in fase di costruzione.

TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTO

COLLEGAMENTO COLONNA - FONDAZIONE

Analogamente al collegamento colonna – colonna, la piastra di base è soggetta prevalentemente a sforzo normale, per cui le dimensioni in pianta devono essere tali da trasferire una pressione di contatto sul calcestruzzo inferiore a quella massima consentita in compressione.

TIPOLOGIE DI COLLEGAMENTO

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

DISPOSIZIONE PLANO-ALTIMETRICA DEI CONTROVENTI E REGOLARITA’ STRUTTURALE

La disposizione planimetrica dei controventi verticali gioca un ruolo molto importante sulla regolarità strutturale. Tale disposizione, in genere, discende da un compromesso tra l’esigenza statica di realizzare un edificio torsio – rigido, in cui gli elementi resistenti alle azioni orizzontali sono quanto più possibile centrifugati, ed esigenze architettoniche –funzionali, quali ad esempio l’apertura di finestre.

REGOLARITA’ STRUTTURALE

L’edificio è regolare in pianta essendo rispettate le seguenti condizioni:

- La configurazione in pianta è compatta e approssimativamente simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali, in relazione alla distribuzione di masse e rigidezze;

- Il rapporto tra i lati del rettangolo in pianta in cui l’edificio risulta inscritto è inferiore a 4 (20400/12300=1,66);

- Sono assenti sporgenze e rientranze;

- I solai possono essere considerati infinitamente rigidi nel proprio piano rispetto agli elementi verticali, essendo realizzati in lamiera grecata con soletta collaborante di spessore >50 mm ;

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

REGOLARITA’ STRUTTURALE

L’edificio è regolare anche in altezza essendo rispettate le seguenti condizioni:

- I sistemi resistenti verticali dell’edificio si estendono per tutta l’altezza dell’edificio;

- Massa e rigidezza variano gradualmente lungo l’elevazione, dalla base alla cima dell’edificio;

- l’edificio non presenta restringimenti della pianta lungo l’altezza;

Ai soli fini della valutazione della regolarità strutturale, appare lecito semplificare e calcolare la rigidezza di piano considerando solo il contributo delle diagonali.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

Il principio alla base del progetto dei controventi concentrici è di affidare la dissipazione dell’energia sismica in ingresso alla plasticizzazione delle diagonali, mentre le travi e le colonne, nonché i collegamenti tra le membrature, devono rimanere in campo elastico.

La capacità di dissipazione di energia di una diagonale è maggiore nelle fasi in cui essa risulta tesa rispetto a quella esibita nelle fasi in cui essa è compressa, a causa del manifestarsi dell’instabilità in compressione.

Il comportamento dei sistemi con controventi concentrici può essere schematizzato con riferimento a due fasi di comportamento limite:

A) Fase di comportamento elastico: tutte le diagonali compresse sono stabili; le proprietà di vibrazione sono determinate sul modello a doppia diagonale.

B) Fase di comportamento plastico: le diagonali compresse si considerano tutte instabilizzate e la loro resistenza residua si considera trascurabile, cosicché la resistenza di piano è determinata mediante un modello con sole diagonali tese .

MODELLAZIONE STRUTTURALE

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

Per quanto riguarda l’analisi strutturale, occorre considerare che per una struttura regolare in fase di predimensionamento è possibile ricondurre l’analisi tridimensionale dell’intero edificio allo studio di due modelli piani separati, uno per ogni direzione principale.

Se i periodi di vibrazione associati ai primi due modi traslazionali in direzione X e Y risultano non troppo alti (T<2,5Tc) è possibile effettuare l’analisi strutturale con il metodo delle forze statiche equivalenti.

La valutazione del periodo può essere condotta preliminarmente in via approssimata, utilizzando la seguente formula suggerita dalla NTC18:

MODELLAZIONE STRUTTURALE

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

GERARCHIA DELLE RESISTENZE

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

Sforzo normale nelle travi

AZIONE SISMICA

Coordinate geografiche del sito

AZIONE SISMICA

Spettro di risposta elastico

AZIONE SISMICA

Amplificazione stratigrafica

Amplificazione topografica

FATTORE DI STRUTTURA

AZIONE SISMICA

ZONA SISMICA E SPETTRO DI PROGETTO

KR associato al grado di regolarità strutturale in altezza 1.0 (oppure 0.8)

qlim = KR. qo

SLV: sostituire h con 1/q nella formula dello spettro elastico

FORZE STATICHE EQUIVALENTI

AZIONE SISMICA

FORZE STATICHE EQUIVALENTI

AZIONE SISMICA

FORZE STATICHE EQUIVALENTI

AZIONE SISMICA

VERIFICA DELLE DIAGONALI

Le diagonali di controvento devono essere dimensionate e collocate nella struttura in modo che essa esibisca, ad ogni piano, una risposta carico-spostamento laterale indipendente dal verso dell’azione sismica.

VERIFICA DELLE DIAGONALI

Le diagonali devono anche soddisfare le due verifiche seguenti.

VERIFICA DELLE DIAGONALI

VERIFICA DELLE DIAGONALI

Valutazione della lunghezza di libera inflessione per le diagonali compresse.

Diagonali della struttura sismoresistente.

VERIFICA DELLE DIAGONALI

VERIFICA DELLE TRAVI

Le travi appartenenti al sistema di controvento devono essere proporzionate in funzione del momento flettente e del taglio indotti dai carichi verticali, nonché dello sforzo normale derivante dalla trasmissione delle forze sismiche orizzontali.

VERIFICA DELLE COLONNE

Per le colonne delle campate controventate si deve effettuare la verifica di stabilità a compressione, considerando come sforzo normale di progetto quello indotto dai carichi verticali e dalle azioni sismiche di progetto

VERIFICA DELLE COLONNE

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI

Essendo le diagonali tese gli elementi dissipativi, in accordo al criterio di gerarchia delle resistenze, i collegamenti devono rimanere in campo elastico e quindi essere progettati per le sollecitazioni massime prevedibili indotte dall’elemento dissipativo.

COLLEGAMENTO DIAGONALE – TRAVE - COLONNA

COLLEGAMENTO DIAGONALE – TRAVE - COLONNA

Collegamento bullonato diagonale – fazzoletto.

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI

COLLEGAMENTO DIAGONALE – TRAVE - COLONNA

Per membrature tese con collegamenti bullonati, affinché possa svilupparsi la resistenza plastica della diagonale, la sezione netta forata deve avere sufficiente resistenza a rottura.

COLLEGAMENTO BULLONATO DELLA FLANGIA

Per il collegamento bullonato della flangia si procede alle usuali verifiche a taglio, trazione e rifollamento.

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI

COLLEGAMENTO BULLONATO DELLA FLANGIA

ESEMPIO DI CALCOLO

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI

COLLEGAMENTO SALDATO DELLA FLANGIA

I fazzoletti di collegamento delle diagonali sono saldati alla flangia verticale di estremità della trave e alle sue ali con cordoni d’angolo. Anche tali saldature devono essere progettate in accordo al criterio della gerarchia delle resistenze, fornendo ai cordoni resistenza sufficiente ad assorbire il massimo sforzo plastico della diagonale tesa.

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI

COLLEGAMENTO DIAGONALE - DIAGONALE

Il collegamento diagonale – diagonale si realizza saldando “ad albero”, su una diagonale integra, monconi del profilato costituente l’altra diagonale, con saldature a completa penetrazione di classe I, e realizzando poi in opera un giunto bullonato con coprigiunto, per il collegamento delle due restanti parti della seconda diagonale.

Sforzo assorbito dal piatto d’ala + Sforzo assorbito dal piatto d’anima

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI

COLLEGAMENTO COLONNA - COLONNA

Le sollecitazioni di progetto si ottengono dal calcolo elastico, considerando il contributo dei carichi verticali e il contributo delle azioni orizzontali,

Per la verifica del collegamento le sollecitazioni agenti sono state ripartite affidando ai bulloni d’anima dello sforzo normale della colonna e l’azione tagliante, mentre ai bulloni d’ala gli sforzi derivanti dal momento flettente.

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI

COLLEGAMENTO COLONNA - FONDAZIONE

Per il calcolo del collegamento si deve considerare la combinazione dello scarico indotto dai carichi verticali NSd,G sommato alla massima azione plastica trasmissibile dalla diagonale tesa, cui corrispondono due componenti, una di trazione ed una di taglio;

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI

VERIFICA ALLO STATO LIMITE DI DANNO

Gli elementi strutturali e quelli non strutturali, ivi comprese le apparecchiature particolari, non devono subire danni gravi in conseguenza di eventi sismici che hanno una probabilità di occorrenza più elevata di quella della azione sismica di progetto.

ESEMPIO DI EDIFICIO IN ACCIAIO CON CONTROVENTI A V ROVESCIA

Tratto dalla Collana di Manuali per la Progettazione secondo le Norme tecniche per le costruzioni in zona sismica di cui all’Ordinanza 3274/03

“Edifici con struttura in Acciaio in Zona Sismica” di F.M. Mazzolani, R. Landolfo, G. Della Corte, B. Faggiano

Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n° 3274 del 20 marzo 2003

Norme Tecniche per le Costruzioni D.M. 4 febbraio 2008

EDIFICIO CON CONTROVENTI CONCENTRICI A ‘V’DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA:

1) Pianta rettangolare di dimensioni 10,00m X 23,30m;

2) Numero di piani pari a 7, con altezza di primo interpiano pari a 3,75m, e le restanti parti a 3,50m;

3) Destinazione d’uso per civile abitazione;

4) La parte sismoresistente è realizzata attraverso l’introduzione di un adeguato numero di controventi concentrici ad V rovescia;

GERARCHIA DELLE RESISTENZE

Gerarchia delle resistenze nelle colonne nei campi controventati

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

MODELLAZZIONE DELLA STRUTTURA

Momento flettente nelle travi

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

FATTORE DI STRUTTURA

AZIONE SISMICA

ZONA SISMICA E SPETTRO DI PROGETTO

KR associato al grado di regolarità strutturale in altezza 1.0 (oppure 0.8)

qlim = KR. qo

SLV: sostituire h con 1/q nella formula dello spettro elastico

Ripartizione delle forze sismiche tra i controventi

La forza sismica totale di piano, dovrà essere preliminarmente divisa per il numero di controventi piani reagenti nella direzione principale considerata, ottenendo cosi la forza sismica media sul singolo controvento. Quest’ultima poi andrà moltiplicata per il fattore di amplificazione d che tiene conto degli effetti della torsione di piano.

AZIONE SISMICA

VERIFICA DELLE DIAGONALI

Poiché le diagonali presentano, a due a due per ciascun piano, la stessa inclinazione e la stessa sezione, la risposta sismica del sistema di controventi è indipendente dal verso delle forze. In aggiunta deve essere soddisfatta la verifica di stabilità della diagonale compressa sotto le forze sismiche di progetto.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

VERIFICA DELLE COLONNE

Per la verifica delle colonne occorre utilizzare il modello strutturale con entrambe le diagonali e sottoposta alle forze sismiche di progetto.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

VERIFICA DEI COLLEGAMENTI Collegamento diagonali - traveLe condizioni di progetto più gravose per il collegamento corrispondono alla massimizzazione delle sollecitazioni di taglio e trazione. Il massimo valore della sollecitazione di trazione, si ottiene con la condizione di carico utilizzata per il dimensionamento della trave; mentre la massima sollecitazione di taglio potrebbe corrispondere alla condizione limite in cui la diagonale compressa è sull’incipienza dello sbandamento laterale per instabilità.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

ESEMPIO DI EDIFICIO IN ACCIAIO CON CONTROVENTI ECCENTRICI

Tratto dalla Collana di Manuali per la Progettazione secondo le Norme tecniche per le costruzioni in zona sismica di cui all’Ordinanza 3274/03

“Edifici con struttura in Acciaio in Zona Sismica” di F.M. Mazzolani, R. Landolfo, G. Della Corte, B. Faggiano

Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n° 3274 del 20 marzo 2003

Norme Tecniche per le Costruzioni D.M. 4 febbraio 2018

EDIFICIO CON CONTROVENTI ECCENTRICIDESCRIZIONE DELLA STRUTTURA:

1) Pianta rettangolare di dimensioni 31,00m X 24,00m;

2) Numero di piani pari a 9, con altezza di primo interpiano pari a 4,00m, e le restanti parti a 3,50m;

3) Destinazione d’uso per uffici;

4) La parte sismoresistente è realizzata attraverso l’introduzione di un adeguato numero di controventi verticali di tipo eccentrico;

MODELLAZIONE STRUTTURALELa risposta sismica delle strutture con controventi eccentrici è governata dai link, che sono i tronchi di trave che connettono due diagonali di controvento al generico piano.

- Link corto: la plasticizzazione sarà prevalentemente a taglio, con inizio nella mezzeria del link ;

- Link lungo: la plasticizzazione si verifica per flessione delle sue sezioni di estremità.

Allo stato attuale delle conoscenze, lo schema strutturale di link in adiacenza alle colonne, è fortemente sconsigliato. Questo perché le sollecitazioni flessionali nelle sezioni di collegamento dei link alle colonne, comportano quasi sempre il collasso del collegamento e di conseguenza una limitata duttilità della struttura.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

GERARCHIA DELLE RESISTENZENei controventi eccentrici le parti di travi esterne ai link, le diagonali e le colonne, nonché i collegamenti tra queste parti strutturali, devono rimanere in campo elastico. Per soddisfare tale requisito è necessario amplificare in tali elementi le sollecitazioni derivanti dal modello elastico, in modo da tenere in conto la plasticizzazione dei link.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

FATTORE DI STRUTTURA

AZIONE SISMICA

ZONA SISMICA E SPETTRO DI PROGETTO

KR associato al grado di regolarità strutturale in altezza 1.0 (oppure 0.8)

qlim = KR. qo

SLV: sostituire h con 1/q nella formula dello spettro elastico

VERIFICA DEI LINK

Link corti (plasticizzazione iniziale a taglio)

Resistenza a flessione

Resistenza a taglio

tf

tw

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

VERIFICA DELLE TRAVI

Lo schema strutturale previsto esclude la presenza di carichi verticali sulle travi dei controventi. Di conseguenza, non si devono fare verifiche supplementari, oltre quelle già effettuate per i link.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

COLLEGAMENTO DIAGONALI – LINK Il collegamento diagonale – link si progetta utilizzando le stesse sollecitazioni adottate per la verifica delle diagonali.

Si evidenzia la presenza degli irrigidimenti d’anima del link, i quali, hanno la funzione di garantire una risposta ciclica inelastica stabile, consentendo la plasticizzazione per taglio e massimizzando così la capacità di dissipazione dell’energia.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

ESEMPIO DI EDIFICIO IN ACCIAIO CON STRUTTURA A TELAIO

Tratto dalla Collana di Manuali per la Progettazione secondo le Norme tecniche per le costruzioni in zona sismica di cui all’Ordinanza 3274/03

“Edifici con struttura in Acciaio in Zona Sismica” di F.M. Mazzolani, R. Landolfo, G. Della Corte, B. Faggiano

Ordinanza del Presidente del Consiglio dei Ministri n° 3274 del 20 marzo 2003

Norme Tecniche per le Costruzioni D.M. 4 febbraio 2018

EDIFICIO CON STRUTTURA INTELAIATADESCRIZIONE DELLA STRUTTURA:

1) Pianta rettangolare di dimensioni 31,00m X 24,00m;

2) Numero di piani pari a 6, con altezza di primo interpiano pari a 4,00m, e le restanti parti a 3,50m;

3) Destinazione d’uso per civile abitazione;

4) L’ossatura portante è un telaio spaziale di acciaio, che costituisce il sistema strutturale resistente sia ai carichi verticali sia al sisma agente nelle due direzioni X e Y ;

MODELLAZIONE STRUTTURALE

Nel modello di calcolo della struttura, tutti i collegamenti trave – colonna sono schematizzati come nodi rigidi, mentre il collegamento colonna fondazione è concepito come vincolo cerniera.

Essendo il telaio spaziale, ogni elemento è chiamato a dare il suo contributo specifico all’assorbimento dell’azione contemporanea del sisma nelle due direzioni principali del piano.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

GERARCHIA DELLE RESISTENZE

Le deformazioni plastiche devono manifestarsi alle estremità delle travi, mentre le colonne e i collegamenti trave – colonna devono restare in campo elastico.

Per assicurare lo sviluppo del meccanismo globale dissipativo è necessario rispettare la seguente gerarchia delle resistenze tra la trave e la colonna dove, oltre ad aver rispettato tutte le regole di dettaglio previste nella presente norma, si assicuri per ogni nodo trave-colonna del telaio che

I collegamenti trave-colonna devono essere progettati in modo da possedere una adeguata sovraresistenza per consentire la formazione delle cerniere plastiche alle estremità delle travi secondo le indicazioni di cui al § 7.5.3.3. In particolare, il momento flettente resistente del collegamento, Mj,Rd, trave-colonna deve soddisfare la seguente relazione:

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

GERARCHIA DELLE RESISTENZE

Al fine di favorire la formazione delle cerniere plastiche flessionali, evitando la crisi per taglio della trave, l’ordinanza prescrive di controllare che la sollecitazione di taglio, nella trave, nella condizione di plasticizzazione delle estremità, risulti sufficientemente contenuta.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

VERIFICA DELLE TRAVI

Le travi secondarie sono collegate alle travi principali mediante squadrette bullonate sulle anime, in modo da realizzare collegamenti approssimabili a cerniere.

Le travi principali del telaio devono essere proporzionate in funzione del momento flettente e del taglio indotti dai carichi verticali e dalle forze sismiche orizzontali.

Si evidenzia che nel caso in esame, per le verifiche di stabilità flesso – torsionale delle travi, i controventi orizzontali realizzano dei ritegni torsionali nelle sezioni di mezzeria, con conseguente riduzione della lunghezza di libera inflessione da considerare nei calcoli. Ciò ha reso in tal modo trascurabili le verifiche di stabilità flesso – torsionale delle travi del telaio.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

VERIFICA DELLE COLONNEVerifica delle membrature a presso flessione – flessione deviata

Essendo il telaio spaziale, la colonna risulta inflessa per effetto sia del sisma principale sia del 30% del sisma agente nella direzione ortogonale a quella assunta come principale ai fini del calcolo delle sollecitazioni.

Allo stesso tempo deve essere verificato il criterio di gerarchia delle resistenze trave –colonna.

La verifica a presso – flessione deviata si effettua secondo le indicazioni dell’Eurocodice 3, considerando come sollecitazioni di progetto gli sforzi normali e i momenti flettenti indotti dalle azioni sismiche di progetto

Le colonne sono realizzate con sezione a croce Austriaca, che presenta l’indubbio vantaggio di avere la stessa rigidezza flessionale nei due piani principali.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

COLLEGAMENTO TRAVE - COLONNAEsso consiste nel saldare in officina alla colonna tronchi di trave ad ogni interpiano, predisponendo una giunzione bullonata trave – trave in opera del tipo a coprigiunto d’ala e d’anima.

Tale collegamento è progettato a completo ripristino di resistenza. Esso deve essere in grado di trasmettere un momento flettente pari alla massima resistenza flessionale plastica della sezione della trave e lo sforzo di taglio corrispondente, nonché uno sforzo normale pari almeno alla resistenza plastica dell’anima.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

COLLEGAMENTO COLONNA - FONDAZIONE

Il collegamento colonna – fondazione deve realizzare una condizione di vincolo cerniera.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

VERIFICA ALLO STATO LIMITE DI DANNOLa verificha impone che lo spostamento d’interpiano soddisfi il limite dr<0,0075h per edifici con tamponature collegate elasticamente alla struttura.

Il progetto delle strutture sismoresistenti a telaio è fortemente condizionato dalla verifica allo stato limite di danno.

VERIFICA PER AZIONI SISMICHE