Approccio alla progettazione e modellazione REP® in zona sismica

Ing. Roberto ScottaDipartimento Ingegneria Civile Edile e Ambientale

Università di Padova

APPROCCIO ALLA MODELLAZIONE E PROGETTAZIONE DI UN EDIFICIO IN ZONA

SISMICA CON SISTEMA REP®

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L’IMPORTANZA DI UNA VISIONE GLOBALENELLA PROGETTAZIONE DI STRUTTURE ANTISISMICHE

Seminario Tecnico Scientifico REP®- 23/02/2012 – Mestre Venezia

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 diverse competenze 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.

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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.

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Nasce nel 1967 da un’idea dell’Ing. S. Leone. Successivamente subisce innovazioni e miglioramenti fino a assumere la connotazione odierna.

IL SISTEMA REP®

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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)

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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.

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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.

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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 sismiche

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IL SISTEMA REP® E SCHEMI STRUTTURALI


edifici a pareti edifici a telaio o misti

carichi concentrati di 1^ fase

carichi distribuiti permanent di 2^ fasecarichi 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^ fase

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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.

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PROVE SPERIMENTALI SU TRAVI REP-CLS


TRAVE N° SEZIONE [mm]

LUNGHEZZA TRAVE [m] a [m] b [m] L [m] APPOGGIO

1 254x240 6.02 2.58 0.62 5.78 sul cls2 301x242 6.02 2.58 0.62 5.78 sul cls3 406x259 6.02 2.58 0.62 5.78 sul cls4 262x339 6.02 2.53 0.72 5.78 sul cls5 305x338 6.02 2.58 0.62 5.78 sul cls6 411x343 6.02 2.65 0.48 5.78 sul cls7 268x446 6.02 2.75 0.48 5.98 sul martello 8 311x436 6.02 2.47 0.48 5.42 sul cls9 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 martello

NOTE:Nella trave 2 la prova si è dovuta interrompere prima della completa rottura per raggiunto fine corsa 5cm degli estensimetri in mezzeria.Nella trave 3 la prova si è dovuta interrompere prima della completa rottura per raggiunto fine corsa 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 causa l’impossibilità di mettere in luce gli spezzoni di misura sugli altri punti.

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Prove di rottura per flessione

Prove di rottura per taglio

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Prove a flessione

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Prove a flessione

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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 assicurata dalla saldatura con le armature d’anima garantisce una connessione

rigida e resistente fra acciaio e calcestruzzo.

Prove a flessione

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Prove a taglio

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Prove a taglio

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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).

Prove a taglio

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IL BREVETTO SISMIREP® (S. Leone, 2002)

TRALICCIO AGGIUNTIVO REP

TRAVE REP

PILASTRO PDT

TRAVE REP

TRAVE REPTRALICCIO RETICOLARE AGGIUNTIVO 3D

TRAVE REP

TRALICCIO AGGIUNTIVO REP

PILASTRO PDT

PILASTRO PDT

TRAVE REP

TRALICCIO RETICOLARE AGGIUNTIVO 3D


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PROVE SPERIMENTALI SU NODI SISMI-REP


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Tipologia Costruttiva Traliccio Trave Pilastro

Nodo 1 c.a. CDA No c.a. c.a.

Nodo 2 Struttura Mista REP®

Lineare semplice REP® c.a.


Lineare Calastrellato REP® c.a.


Croce Tecnostrutture REP® c.a.


Croce SISMIREP® REP® Incamiciato

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: =1,3

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Nodo1 - in c.a. tradizionale in alta duttilità

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Viene Inserito un traliccio integrativo

passante al nodo per creare la continuità

nella struttura.

Nodi in struttura mista di tipo REP® con nodo saldato

Posizionata l’armatura del

pilastro superiore si procede con il

getto di completamento che renderà la

struttura omogenea e

collaborante in tutte le sue parti.

Viene predisposta l’armatura del

pilastro e appoggiate le travi prefabbricate autoportanti di tipo REP®. In questa

fase ogni elemento della struttura è indipendente.

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Sezione del pilastro

Sezione della trave

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Nodo 2Traliccio lineare

semplice

Nodo 3

Traliccio lineare calastrellato

Formati da barre longitudinali superiori e inferiori, tenute insieme da delle barre d'anima piegate e saldate.

Con l’aggiunta nel nodo 3 di barre trasversali superiori (calastrelli) saldate fuori dal nodo.

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Nodo 4Traliccio a croce Tecnostrutture

Nodo 5Traliccio a croce

SISMIREP®

Traliccio di continuità delle travi formato da barre longitudinali superiori e inferiori, tenute insieme da armature d'anima 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).

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Misure degli spostamenti

Flessimetri.

Esempio – Nodo 4

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Nodo 1 vs Nodo 5

Il nodo in Struttura mista REP® si comporta come il nodo in c.a. tradizionale, anche in campo plastico.

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Nodo 1tradizionale in c.a.

Nodo 5Sismi-REP con pilastro incamiciato

Nodo 1 vs Nodo 5

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Nodo 2 vs Nodo 3

La presenza dei calastrelli non influisce su comportamento del nodo.

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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)

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Nodo 4 vs Nodo 5

La diversa conformazione del traliccio non comporta sensibili modifiche del comportamento

del nodo

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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

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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 miste

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