Corso di Costruzioni in Acciaio e Legno - Unibas

Corso di Costruzioni in Acciaio e Legno

Ing. Antonio DI CESARE

Dottore di Ricerca in Ingegneria delle Strutture, Università della Basilicata.

“Aspetti normativi per le strutture in Acciaio”

Edifici in acciaio in zona Sismica

Strutture in acciaio Concezione strutturale

• Acciaio caratterizzato da un elevato rendimento meccanico (R/g);

• La realizzazione di membrature molto snelle porta a problemi di instabilità e di eccessiva deformabilità;

• Grazie alla notevole duttilità l’acciaio risulta essere particolarmente idoneo nelle applicazioni progettuali che richiedono capacità di dissipazione di energia, come le costruzioni in zona sismica;

• Il sistema strutturale nasce dall’assemblaggio di elementi

• La scelta dei sistemi di collegamento rappresenta un aspetto chiave e condiziona la scelta della tipologia del sistema strutturale

monodimensionali e bidimensionali prodotti in luoghi diversi da quello di costruzione della struttura, pertanto il grado di vincolo tra le parti componenti la struttura risulta essere un ulteriore parametro di progetto.

Le Fasi della Progettazione

Criteri generali di progettazione e modellazione- Principi di progettazione:

• Classe di duttilità- Azione sismica per i diversi Stati Limite- Predimensionamento degli elementi strutturali- Modellazione della struttura- Regolarità strutturale

Descrizione e progettazione dell’edificio- Materiale- Tipologia strutturale e Fattore di struttura- Solaio tipo e Analisi dei carichi

Metodi di analisi e criteri di verifica- Analisi lineare statica o dinamica- Verifica agli SL Ultimi e di Esercizio

Regole di progetto e disegni esecutivi:- Generali per elementi strutturali- Specifiche per la tipologia di struttura- Esecutivi degli elementi progettati

ORIENTAMENTI PER PROGETTAZIONE ANTISISMICA:

Le Basi della Progettazione

I moderni codici sismici adottano quale criterio di progetto quello che prevede, in caso di evento sismico distruttivo, che il sistema strutturale sismo-resistente sia in grado di dissipare energia senza giungere a collasso

Affinché sia garantito tale livello prestazionale è necessario che le strutture chiamate a far fronte alle azioni di natura sismica abbiano adeguata duttilità globale

Il concetto di duttilità è legato, in generale, alla capacità di un sistema strutturale di subire deformazioni elastoplastiche senza significative perdite di capacità portante

Performance Based Design (PBD): accettabilità dei livelli di danno- Completamente operativo (nessun danno)- Operativo (danno moderato degli elementi non strutturali – danno lieve elem. Strutt. )- Sicurezza della vita (danno moderato degli elementi strutturali e non)- Vicino al collasso (resistenza compromessa)

Si configura un approccio progettuale definito “multilivello” :

- Resistere a eventi sismici di bassa intensità senza significativi danneggiamenti- Resistere a eventi sismici di moderata intensità con danni riparabili- Resistere a eventi sismici di notevole intensità prevenendo il collasso

FDB (Force Based Design): consiste nell’assumere la resistenza come indicatore del livello di prestazione (riduzione dello spettro con fattore di struttura)

DBD (Displacement Based Design): consiste nell’assumere lo spostamento corrispondente al livello di prestazione da assicurare (riduzione dello spettro con smorzamento)


ORIENTAMENTI PER PROGETTAZIONE ANTISISMICA:

NUOVI ORIENTAMENTI:

Matrice del Performance Based Design Objectives


Progettazione antisismica basata sulla resistenza richiesta all’edificio:

Gli edifici sismo-resistenti in acciaio devono essere progettati in accordo con uno dei seguenti comportamenti strutturali:

- COMPORTAMENTO STRUTTURALE DISSIPATIVO:strutture concepite in modo che l’energia di input del terremoto sia dissipata mediante cicli di deformazioni inelastiche di predisposti elementi strutturali o di parte di essi con l’obiettivo di ottimizzare la duttilità globale del sistema:

- controllo del meccanismo di collasso locale e/o globale- criterio della gerarchia delle resistenze- importanza dei particolari esecutivi- fattore di struttura > 1

- COMPORTAMENTO STRUTTURALE NON DISSIPATIVOstrutture progettate per resistere alle azioni sismiche attraverso un comportamento di tipo elastico:

strutture con risorse duttili limitate fattore di struttura unitario


Le 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

NORMATIVE DI RIFERIMENTO

Nuove NTC2018 e Circ. del 21/01/19

- DM 17/01/18

Aggiornamento delle “Norme Tecniche per le Costruzioni”

1. Oggetto

2. Sicurezza e prestazioni attese

3. Azioni sulle costruzioni

4. Costruzioni civili ed industriali

5. Ponti

6. Progettazione geotecnica

7. Progettazione per azioni sismiche

8. Costruzioni esistenti

9. Collaudo statico

10. Redazione dei progetti strutturali esecutivi e delle relazioni di calcolo

11. Materiali e Prodotti per uso strutturale

12. Riferimenti tecnici

D.M. 17 Gennaio 2018

Premessa

Le presenti Norme tecniche per le costruzioni, raccolgono in un unico organico tutte le norme prima distribuite in diversi decreti ministeriali.

1. Oggetto

Le presenti Norme tecniche per le costruzioni definiscono i principi per il progetto, l’esecuzione e il collaudo delle costruzioni, nei riguardi delle prestazioni loro richieste in termini di requisiti essenziali di resistenza meccanica e stabilità, anche in caso di incendio, e di durabilità.

Esse forniscono quindi i criteri generali di sicurezza, precisano le azioni che devono essere utilizzate nel progetto, definiscono le caratteristiche dei materiali e dei prodotti e, più in generale, trattano gli aspetti attinenti alla sicurezza strutturale delle opere.

Circa le indicazioni applicative per l’ottenimento delle prescritte prestazioni, per quanto non espressamente specificato nel presente documento, ci si può riferire alla “Circolare 2/2/09 Istruzioni per l’applicazione delle nuove norme tecniche per le costruzioni” oppure a normative di comprovata validità e ad altri documenti tecnici elencati nel Cap. 12. In particolare, quelle fornite dagli Eurocodici (3 e 8) con le relative Istruzioni Nazionali costituiscono indicazioni di comprovata validità e forniscono il sistematico supporto applicativo delle presenti norme.

D.M. 17 gennaio 2018

7.5 COSTRUZIONI DI ACCIAIO

La resistenza delle membrature e dei collegamenti deve essere valutata in accordo con le regole del Capitolo 4, integrate dalle regole di progettazione e di dettaglio fornite dal Capitolo 7.

Nel caso di comportamento strutturale non dissipativo la capacità delle membrature e dei collegamenti deve essere valutata in accordo con le regole di cui al § 4.2 delle presenti norme, senza nessun requisito aggiuntivo.

Nel caso di comportamento strutturale dissipativo la capacità delle membrature e dei collegamenti deve essere valutata in accordo con le regole di cui dal § 7.1 al § 7.3 delle presenti norme, integrate dalle regole di progettazione e di dettaglio fornite dal § 7.5.3 al §7.5.6. Le strutture devono essere progettate in maniera tale che i fenomeni di degrado e riduzione di rigidezza che si manifestano nelle zone dissipative non pregiudichino la stabilità globale della struttura.

Nelle zone dissipative, al fine di assicurare che le stesse si formino in accordo con quanto previsto in progetto, la possibilità che il reale limite di snervamento dell’acciaio sia maggiore del limite nominale deve essere tenuta in conto attraverso un opportuno coefficiente gov

(prima indicato gRd), definito al § 7.5.1.

Gli elementi non dissipativi delle strutture dissipative e i collegamenti tra le parti dissipative ed il resto della struttura devono possedere una capacità sufficiente a consentire lo sviluppo della plasticizzazione ciclica delle parti dissipative.

7.5.1 Caratteristiche dei materiali

Decreto Ministeriale del 17 gennaio 2018

“Norme Tecniche per le Costruzioni”

Circolare del C.S.LL.PP. n. 617 del 02/02/09

L’acciaio strutturale deve essere conforme ai requisiti del § 11.3.4.9.- le zone dissipative di strutture a comportamento dissipativo devono consentire lo

sviluppo di ampie deformazioni in campo plastico prima dell’insorgere di fenomeni di instabilità

- Per soddisfare ai particolari requisiti di duttilità previsti dal progetto antisismico, l’acciaio deve rispettare particolari prescrizioni nelle zone dissipative:

A5 > 20%

ftk / fyk > 1,1

7.5.1. Caratteristiche dei materiali

A5>20%

ftk

- i collegamenti bullonati devono essere realizzati con bulloni ad alta resistenza di classe 8.8 o 10.9 comunque serrati in maniera tale da raggiungere un precarico pari a quello prescritto per le giunzioni ad attrito.

fy,media≤1,2 fy,k (S235 e S275) fy,media≤1,1 fy,k (S355 , S420 e S460)


su>20%

ft

su>20%

ft


-Per il calcolo della sovraresistenza di progetto è prescritto che la resistenza plastica delle zone dissipative venga amplificata di un coefficiente gov:

- fy,medio valore medio atteso della tensione di snervamento

- fyk valore caratteristico della tensione di snervamento

Acciaio gov

S235 (Fe360) S275 (Fe430) S355 (Fe510) 1.25

S420 S460 1.15

- Se la tensione di snervamento fyk dell’acciaio delle zone non dissipative e delle connessioni è superiore alla fy,max delle zone dissipative, è possibile assumere gov=1.0


7.5.2 Tipologie strutturali e fattore di struttura




Le strutture sismo-resistenti in acciaio possono essere distinte nelle seguenti tipologie strutturali:

1) STRUTTURE INTELAIATE: composte da telai che resistono alle forze orizzontali con un comportamento prevalentemente flessionale.

2) STRUTTURE CON CONTROVENTI CONCENTRICI: nei quali le forze orizzontali sono assorbite principalmente da membrature soggette a forze assiali.

- Controventi con diagonale tesa attiva;- Controventi a V;- Controventi a K;

3) STRUTTURE CON CONTROVENTI ECCENTRICI: nei quali le forze orizzontali sono principalmente assorbite da membrature caricate assialmente, ma la presenza di eccentricità di schema permette la dissipazione di energia nei traversi per mezzo del comportamento ciclico a flessione e/o taglio.

4) STRUTTURE A MENSOLA O A PENDOLO INVERSO: costituite da membrature pressoinflesse in cui le zone dissipative sono collocate alla base.

5) STRUTTURE INTELAIATE CON CONTROVENTI CONCENTRICI: nelle quali le azioni orizzontali sono assorbite sia da telai che da controventi agenti nel medesimo piano.

6) STRUTTURE INTELAIATE CON TAMPONATURE: costituite da tamponature in muratura o calcestruzzo non collegate ma in contatto con le strutture intelaiate.

7.5.2 Tipologie strutturali e fattori di struttura

• Continuità strutturale tra membrature orizzontali e verticali garantita da nodi trave colonna tipo rigido;

• Risposta strutturale caratterizzata da un regime di sollecitazione prevalentemente flessionale negli elementi portanti;

• La principale risorsa di rigidezza e resistenza laterale è legata al regime flessionale che si instaura nelle membrature strutturali;

• Problema della deformabilità e dell’effetto p-d

1) STRUTTURE INTELAIATE:


• Le zone dissipative sono numerose e concentrate in regioni discrete alle estremità delle aste, dove si formano le cerniere plastiche;

• Al fine di conseguire un comportamento duttile le cerniere plastiche devono svilupparsi prevalentemente nelle estremità delle travi e all’attacco tra colonne e fondazioni;

• Tale tipologia è preferita per la sua versatilità architettonica in quanto consente la massima flessibilità nello sfruttamento degli spazi;

• Per contro la rigidezza laterale dell’intera struttura è modesta;

• le dimensioni delle membrature sono condizionate dal controllo degli spostamenti laterali;

• Si ottengono strutture caratterizzate da una significativa sovraresistenza rispetto a quella strettamente necessaria per il soddisfacimento dello stato limite ultimo.



C7.5.2.1 Tipologie strutturali e fattori di struttura

Formazione delle cerniere plastiche nelle colonne:

Nelle zone “critiche” predisposte alla dissipazione (cerniere plastiche);

NED ≤ 0.3 x NPL,Rd


• I collegamenti trave colonna tipo nodo-cerniera;

• la necessaria rigidezza laterale della struttura è conferita da sistemi di controventamento verticale realizzati attraverso sistemi reticolari in acciaio con aste inclinate disposte in varie configurazioni

EDIFICI CON STRUTTURA PENDOLARE E CONTROVENTI VERTICALI


2) STRUTTURE A CONTROVENTI RETICOLARI CONCENTRICI

Diagonale tesa attiva

A “V” A “V”rovescia A “K”

• Resistono alle forze orizzontali principalmente attraverso un regime di sforzi assiali;

• Dissipano energia prevalentemente quando le diagonali tese si plasticizzano;

• Il comportamento ciclico inelastico è caratterizzato dal degrado della capacità di dissipazione di energia a causa del ripetersi dell’instabilità delle aste diagonali compresse;

• Le membrature diagonali conferiscono alla struttura un’elevata rigidezza elastica.


• Le zone dissipative sono limitate e concentrate in regioni discrete alle estremità delle aste, dove si formano le cerniere plastiche;

• Al fine di conseguire un comportamento duttile le cerniere plastiche devono svilupparsi prevalentemente nei controventi tesi;

• Tale tipologia non consente il massimo sfruttamento degli spazi;

• Per contro la rigidezza laterale dell’intera struttura è elevata;

• le dimensioni delle membrature e dei collegamenti sono ridotte;

• Si ottengono strutture caratterizzate da una bassa sovraresistenza rispetto a quella strettamente necessaria per il soddisfacimento dello stato limite ultimo.


2) STRUTTURE A CONTROVENTI RETICOLARI CONCENTRICI

3) STRUTTURE A CONTROVENTI RETICOLARI ECCENTRICI

4) STRUTTURE A MENSOLA O A PENDOLO INVERSO

• Si definiscono a pendolo inverso i sistemi strutturali in cui almeno il 50% della massa è concentrata nel terzo superiore dell’altezza dell’edificio, o in cui la dissipazione di energia ha luogo alla base dell’edificio nelle membrature pressoinflesse.

• Combinano i vantaggi dei sistemi a controventi concentrici assicurando al contempo elevata rigidezza elastica e buone doti di duttilità e capacità di dissipare energia;

• La caratteristica eccentricità dello schema consente la dissipazione di energia nei traversi in zone dette “link”


5) STRUTTURE INTELAIATE CONTROVENTATE

Si tratta di sistemi duali in cui le forze orizzontali sono assorbite in parte dai telai e in parte dai sistemi di controventi agenti nel medesimo piano.



edifici con struttura a mensola 1.0


Fattore di struttura

au/a1


Tab. 7.3.II – Valori massimi del valore di base q0 del fattore di comportamento allo SLV per costruzioni di acciaio ed in funzione della tipologia strutturale e della classe di duttilità CD

Per le costruzioni regolari in pianta per il rapporto au / a1 possono essere adottati i valori indicati prima per le diverse tipologie costruttive.

Per le costruzioni non regolari in pianta si possono adottare valori di au / a1 pari alla media tra 1,0 e i valori indicati prima per le diverse tipologie costruttive.

qlim = q0 * KR

Per le costruzioni regolari in altezza KR = 1,0 non regolari in altezza KR = 0.8

7.5.3 Regole di progetto generali per elementi strutturali dissipativi





TIPOLOGIA STRUTTURALE Zona dissipativa Meccanismo dissipativo

1) Strutture Intelaiate Estremità delle travi Flessione

2) Strutture con controventi concentrici:

Aste dei controventi Sforzo Assiale

3) Strutture con controventi eccentrici

Elementi di collegamento «link»

Flessione e/o Taglio

7.5.3 Regole di prog. per elem. strutt. dissipativi

Le regole di progetto seguenti si applicano alle parti delle strutture sismo-resistentiprogettate per avere un comportamento strutturale dissipativo.

Le zone dissipative sono localizzate nelle membrature e devono avereun’adeguata duttilità ed una sufficiente capacità.

I collegamenti e tutte le componenti non dissipative della struttura devono esseredotate di adeguata capacità.

Collegamenti: tipologie e comportamenti

Sperimentazione: UCSD - Caltrans facility

AISC Steel Column

May June 2006

7 Steel Column with different sections


Sperimentazione: UCSD - Caltrans facility

May June 2006


Collegamenti trave colonna


Collegamenti trave colonna


Valori tipici della rigidezza e resistenza

M = Mu / Mpl,b

- Collegamento a cerniera: M<0.25

- Collegamento rigido a parziale ripristino di resistenza: 0.25<M<1

- Collegamento a completo ripristino di resistenza: M≥1

K = Krot / Kflex

Krot : rigidezza rotaz. del collegamento

Kflex : rigidezza flessionale della trave collegata

Mu : momento ultimo del collegamento

Mpl,b : momento plastico della trave


Legami forza-spostamento sperimentali


Legami forza-spostamento sperimentali

Nel caso di collegamenti con saldature a cordoni d’angolo e nel caso di collegamenti bullonati il seguente requisito deve essere soddisfatto:

dove:

Rj,d è la capacità di progetto del collegamento;

Rpl,Rd è la capacità al limite plastico della membratura dissipativa collegata (da valutarsi secondo le indicazioni del § 4.2;

RU,Rd è il limite superiore della capacità della membratura collegata.

7.5.3.1 Verifiche di Resistenza

I collegamenti in zone dissipative devono avere sufficiente sovraresistenza per consentire la plasticizzazione delle parti collegate. Si ritiene che tale requisito di sovraresistenza sia soddisfatto nel caso di saldature a completa penetrazione (C7.5.3.1).


Nel caso di membrature tese con collegamenti bullonati, la capacità corrispondente al raggiungimento della tensione di snervamento della sezione deve risultare inferiore alla capacità corrispondente al raggiungimento della tensione di rottura della sezione netta in corrispondenza dei fori per i dispositivi di collegamento. Pertanto si deve verificare che:

essendo A l’area lorda e Ares l’area resistente costituita dall’area netta in corrispondenza dei fori integrata da un’eventuale area di rinforzo e i fattori parziali gM0 e gM2 sono definiti nella Tab. 4.2.V del § 4.2.3.1.1.


7.5.3.1 Verifiche di Resistenza

Nel caso in cui i collegamenti in zone dissipative siano realizzati con unioni bullonate, questedevono essere sufficientemente sovraresistenti per evitare la rottura dei bulloni a taglio. Per taleragione, la resistenza di progetto dei bulloni a taglio deve essere almeno 1,2 volte superiore aquella a rifollamento dell’unione. Deve essere assolutamente evitata la rottura dei bulloni atrazione, meccanismo di collasso caratterizzato da un comportamento fragile. Per tale motivo,anche i bulloni a trazione devono essere dotati di un’opportuna sovraresistenza. (C7.5.3.1)

Tipologie strutturali e fattore di struttura 7.5.3 Regole di prog. per elem. strutt. dissipativi

7.5.3.2 Verifiche di Duttilità

Si deve garantire una duttilità locale sufficiente degli elementi che dissipano energia in compressione e/o flessione limitando il rapporto larghezza-spessore c/t secondo le classi di sezioni trasversali specificate nel § 4.2.2.1. delle presenti norme.

In ogni zona o elemento dissipativo si deve garantire una capacità in duttilità superiore alla corrispondente domanda in duttilità.

La verifica deve essere effettuata adottando le misure di deformazione adeguate ai meccanismi duttili previsti per le diverse tipologie strutturali.

Per le tipologie indicate in § 7.5.2.1, si possono utilizzare le seguenti misure di

deformazione locale q:- elementi inflessi o presso inflessi di strutture intelaiate: rotazione alla corda;

- elementi prevalentemente tesi e compressi di strutture controventate: allungamento complessivo della diagonale;

- elementi sottoposti a taglio e flessione di strutture con controventi eccentrici (elementi di collegamento): rotazione rigida tra l’elemento di connessione e l’elemento contiguo.



La duttilità locale è definita come

La domanda in duttilità locale è definita dal rapporto tra il valore di deformazione Ju

misurato mediante analisi non lineare e il valore di deformazione Jy al limite elastico.

Nel caso di analisi strutturale lineare con fattore di comportamento q, la domanda dideformazione può essere dedotta dal campo di spostamenti ultimi ottenuti come in §7.3.3.3.

La capacità in duttilità locale è data dal rapporto tra la misura di deformazione alcollasso Ju, valutata in corrispondenza della riduzione del 15% della massimaresistenza dell’elemento, e la deformazione Jy corrispondente al raggiungimentodella prima plasticizzazione.

La capacità in duttilità locale, quando non sia determinata mediante sperimentazionediretta, deve essere valutata utilizzando metodi di calcolo che descrivano in modoadeguato il comportamento in campo non-lineare, inclusi i fenomeni di instabilitàdell’equilibrio, e tengano conto dei fenomeni di degrado connessi al comportamentociclico.

4.2.3.1. Classificazione delle sezioni

Le sezioni trasversali degli elementi strutturali si classificano in funzione della loro capacità rotazionale Cq definita come:

Classe 1, DUTTILI: quando la sezione è in grado di sviluppare una cerniera plastica avente la capacita rotazionale richiesta senza subire riduzioni di resistenza Cθ≥3.

Classe 2, COMPATTE: quando la sezione è in grado di sviluppare il proprio momento resistente plastico, ma con capacità rotazionale limitata Cθ≥1,5.

Classe 3, Semi-COMPATTE: quando nella sezione le tensioni calcolate nelle fibre esterne compresse possono raggiungere la tensione di snervamento, ma l’instabilità locale impedisce lo sviluppo del momento resistente plastico.

Classe 4, SNELLE: quando, per determinare la resistenza flettente, tagliante o normale, è necessario tener conto degli effetti dell’instabilità locale in fase elastica nelle parti compresse che compongono la sezione. In tal caso nel calcolo della resistenza la sezione geometrica effettiva può sostituirsi con una sezione efficace.


essendo Jr e Jy le rotazioni corrispondenti rispettivamente al raggiungimento della deformazione ultima ed allo snervamento

Definizione di classe di appartenenza delle sezioni basata sul calcolo delle snellezze delle parti compresse della sezione trasversale. Si distinguono elementi interni e flange esterne. Tale classificazione è dunque basata esclusivamente sui rapporti di snellezza c/t dei piatti costituenti la sezione trasversale. L’anima e la flangia vengono, inoltre, considerate indipendenti.

Sezioni:

1-Duttili

2-Compatte

3-semicompatte

4-Snelle

Classificazione delle sezioni

Sezioni:

1-Duttili

2-Compatte

3-semicompatte

4-Snelle

Sezioni:

1-Duttili

2-Compatte

3-semicompatte

4-Snelle

Classificazione delle sezioni



ac







La classe di una sezione composta corrisponde al valore di classe più alto tra quelli dei suoi elementi componenti.



La verifica di duttilità si ritiene comunque soddisfatta qualora siano rispettate, in funzione della classe di duttilità e del valore di base del fattore di comportamento q0 utilizzato in fase di progetto, le prescrizioni relative alle classi di sezioni trasversali per le zone/elementi dissipativi riportate in Tab. 7.5.I nonché le prescrizioni specifiche di cui ai successivi paragrafi relativi a ciascuna tipologia strutturale e sia soddisfatta

Per le sezioni delle colonne primarie delle strutture a telaio in cui si prevede la formazione di zone dissipative, la relazione:

NEd è il valore della domanda a sforzo normale e Npl,Rd è il valore della capacità a sforzo normale determinata secondo criteri di cui al § 4.2.4.1.2.

NEd ≤ 0.3 x Npl,Rd

7.5.4. Regole di progetto specifiche per strutture intelaiate




7.5.4 Regole di progetto per strutture intelaiate

Al fine di conseguire un comportamento duttile, i telai devono essere progettati in modo che le cerniere plastiche si formino nelle travi piuttosto che nelle colonne.

Questo requisito non è richiesto per le sezioni delle colonne alla base ed alla sommità dei telai multipiano e per gli edifici monopiano.

Il comportamento strutturale dissipativo prevede che alcune parti della struttura (zonedissipative) plasticizzino sotto le azioni sismiche di progetto. Le rimanenti parti (zonenon dissipative) devono essere conseguentemente progettate con un’adeguatasovraresistenza, in modo da resistere in campo elastico alle azioni trasmesse ad essedurante un terremoto violento.


Telai a bassa duttilità: sono progettati senza alcun controllo del meccanismo di collasso. Pertanto le sezioni delle membrature dovranno essere verificate assumendo come valori di progetto delle azioni di sforzo normale Nsd e momento flettente Msd

derivanti dalla analisi elastica globale. Per la verifica al taglio valgono i requisiti ai punti precedenti

Telai ad alta duttilità


Al fine di conseguire un comportamento duttile, i telai devono essere progettati in maniera tale che le cerniere plastiche si formino nelle travi piuttosto che nelle colonne.

7.5.4.1 Travi - Verifica di Resistenza

Flessione

Sforzo assiale

Tagliodove:

MEd, NEd e VEd sono i valori della domanda a flessione, a sforzo assiale e a taglio;

Mpl,Rd , Npl,Rd e Vpl,Rd sono i valori della capacità a flessione, sforzo assiale e tagliante determinate secondo criteri di cui al § 4.2.4.1.2;

VEd,G è la domanda a taglio di progetto dovuta alle azioni non-sismiche;

VEd,M è la domanda a taglio dovuta all’applicazione di momenti plastici equiversi Mpl,Rd nelle sezioni in cui è attesa la formazione delle zone dissipative.

In assenza di ritegni trasversali, le travi devono avere capacità sufficiente nei confronti dell’instabilità flessionale e flesso-torsionale, determinata come al § 4.2.4.1.3 ed assumendo la formazione della zona dissipativa nella sezione più sollecitata in condizioni sismiche.

Nelle sezioni in cui è attesa la formazione delle zone dissipative devono essere verificate le seguenti relazioni:


VEd,M

VEd,M

Al fine di conseguire un comportamento duttile, i telai devono essere progettati in maniera tale che le cerniere plastiche si formino nelle travi piuttosto che nelle colonne.

7.5.4.1 Travi


7.5.4.2 Colonne - Verifica di Resistenza

Flessione

Sforzo assiale

Taglio

Le colonne devono essere verificate in compressione considerando la più sfavorevole combinazione di sollecitazioni assiali e flessionali:


in cui

NEd,G ,MEd,G ,VEd,G sono le sollecitazioni di compressione, flessione e taglio dovute alle azioni non sismiche;

NEd,E ,MEd,E ,VEd,E sono le sollecitazioni dovute alle azioni sismiche;

gov è il fattore di sovraresistenza relativo al materiale;

è il minimo valore tra gli i = (Mpl,Rd,i – MEd,G,i ) / MEd,E,i di tutte le travi in cui si attende la formazione di zone dissipative, essendo per la i-esima trave:

MEd,E,i la domanda a flessione dovuta all’azione sismica di progetto

MEd,G,i la domanda a flessione dovuta alle azioni sismica non sismiche

Mpl,Rd,i il valore della capacità a flessione.


Per colonne in cui si attende la formazione di zone dissipative la domanda deve essere calcolate nell’ipotesi che in tali zone sia raggiunta la capacità a flessione:

M = Mpl,Rd

Il taglio di progettodeve rispettare la seguente limitazione:


Per assicurare lo sviluppo del meccanismo globale dissipativo, deve inoltre essere rispettata la seguente disuguaglianza per ogni nodo trave-colonna del telaio

dove

gRD = 1,3 per strutture in classe CD”A” e CD”B”,

MC,pl,Rd è il momento resistente della colonna calcolato per i livelli di sollecitazione assiale presenti nella colonna nelle combinazioni sismiche delle azioni

Mb,pl,Rd è il momento resistente delle travi che convergono nel nodo trave-colonna.



Si assume il nodo in equilibrio ed i momenti, sia nelle colonne sia nelle travi, tra loro concordi. Nel caso in cui i momenti nella colonna al di sopra e al di sotto del nodo siano tra loro discordi, al primo membro della formula va posta la maggiore tra le capacità a flessione delle colonne, mentre la minore va sommata alle capacità a flessione delle travi.

I collegamenti trave-colonna devono essere progettati in modo da consentire la formazione delle zone dissipative alle estremità delle travi secondo le indicazioni di cui al § 7.5.3.i. In particolare, la capacità a flessione del collegamento Mj,Rd, deve soddisfare la seguente relazione:

Mb,pl,Rd capacità a flessione della trave collegata

gov coefficiente di sovraresistenza del materiale


7.5.4.3 Collegamenti trave-colonna



7.5.4.4 Pannelli d’anima dei collegamenti trave-colonna

I pannelli d’anima devono essere progettati in modo da consentire lo sviluppo del meccanismo dissipativo della struttura, cioè la plasticizzazione delle sezioni delle travi convergenti nel nodo trave-colonna evitando fenomeni di plasticizzazione e instabilizzazione a taglio. Tale requisito si può ritenere soddisfatto quando::

essendo Vvp,Ed , Vvp,Rd e Vvb,Rd rispettivamente la domanda a taglio, la capacità a taglio per plasticizzazione del pannello e la capacità a taglio per instabilità del pannello, queste ultime valutate come in § 4.2.4.1.2 e 4.2.4.1.3.

Vvp,Ed deve essere determinata assumendo il raggiungimento della capacità a flessione nelle sezioni delle travi convergenti nel nodo trave-colonna, secondo lo schema e le modalità previste in fase di progetto.




3/,2

2

1

1cyww fht

d

M

d

M



C7.5.4.4 Pannelli d’anima dei collegamenti trave-colonna




Il collegamento colonna-fondazione deve essere progettato in modo tale che la sua capacità sia maggiore della capacità della colonna ad esso collegata.

In particolare, la capacità a flessione del collegamento deve rispettare la seguente disuguaglianza

Mc,pl,Rd capacità flessionale della colonna, valutata per la domanda a sforzo normale NEd

che fornisce la condizione più gravosa per il collegamento di base.

gov coefficiente di sovraresistenza fornito nel §7.5.1.


7.5.4.5 Collegamenti colonna-fondazione











7.5.5. Regole di progetto specifiche per strutture con controventi concentrici




- Nelle strutture con controventi concentrici le membrature costituenti le travi, le colonne ed i collegamenti devono possedere una capacità sufficiente a consentire lo sviluppo delle zone dissipative nelle diagonali.Le strutture con controventi concentrici devono essere progettate in modo che la plasticizzazione delle diagonali tese preceda la rottura delle connessioni e l’instabilizzazione di travi e colonne;

- Ie diagonali hanno essenzialmente funzione portante nei confronti delle azioni sismiche e, a tal fine, tranne che per i controventi a V, devono essere considerate le sole diagonali tese;

- la risposta carico-spostamento laterale deve risultare sostanzialmente indipendente dal verso dell’azione sismica;

7.5.5 Strutture con controventi concentrici

- Per edifici con più di due piani, la snellezza adimensionale delle diagonali deve rispettare le seguenti condizioni:

- In telai con controventi ad X:

- In telai con controventi ad V:



Al fine di fornire una adeguata duttilità alle diagonali, la loro sezione trasversale deve essere sufficientemente compatta:


Regole di dettaglio per strutture ad Alta e Bassa duttilità


Regole di dettaglio per strutture ad Alta e Bassa duttilità

c

ll1

=

FASE (A):

Si calcolano le proprietà di vibrazione elastica ed è quindi possibile, attraverso la conoscenza delle frequenze e dei modi, determinare le forze di progetto. Si effettua la verifica di stabilità delle diagonali compresse.

FASE (B):

Modello a sole diagonali tese; si applicano le forze di progetto determinate nella fase (A), e si controlla che le diagonali tese siano in grado, da sole, di equilibrare le forze di progetto.

MODELLAZIONE STRUTTURALE


Lo stato di sforzo nelle diagonali di controvento è stato determinato considerando l’azione delle sole forze orizzontali. I carichi verticali sono stati considerati agenti su uno schema pendolare privo di diagonali e composto dalle travi nelle quali i carichi verticali producono flessione e taglio e dalle colonne, nelle quali essi producono sforzo normale.


VERIFICA PER AZIONI SISMICHE


VERIFICA PER AZIONI SISMICHE

Per garantire un comportamento dissipativo omogeneo delle diagonali all’interno della struttura, i valori massimi e minimi dei coefficienti i = Npl,Rd,i / NEd,i calcolati per tutti gli elementi di controvento in cui si attende la formazione della zona dissipativa, devono differire non più del 25%.

Travi e colonne, considerate soggette prevalentemente a sforzi assiali in condizioni di sviluppo del meccanismo dissipativo, devono rispettare la condizione:

NEd e MEd sono i valori della domanda a sforzo normale e a flessione dovuta alle combinazioni sismiche di progetto, valutate rispettivamente mediante le espressioni 7.5.7 e 7.5.8 (par. 7.5.4.2), ponendo il minimo valore tra

i = Npl,Rd,i / NEd,i

Npl,Rd,i è la capacità a sforzo normale della i-esima diagonale

NEd,i la domanda a sforzo normale per la combinazione sismica, calcolati per tutti gli elementi di controvento in cui si attende la formazione di zone dissipative.

Nb,Rdp è la capacità nei confronti dell’instabilità, calcolata come in § 4.2.4.1.3.1, tenendo conto dell’interazione con il momento flettente MEd.


VERIFICHE DI RESISTENZA

Sforzo normale nelle travi


GERARCHIA DELLE RESISTENZE

Controventi a diagonale tesa attiva




Controventi a diagonale tesa attiva

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.

Av+e Av

- proiezioni verticali delle sezioni trasversali delle diagonali tese, valutate per i due versi possibili delle azioni sismiche

C7.5.5 Strutture con controventi concentrici

Le travi e le colonne dei controventi concentrici a bassa duttilità possono essere progettati sulla base delle sollecitazioni derivanti dalla analisi elastica globale. I collegamenti delle diagonali alle altre parti strutturali devono soddisfare i requisiti sopra esposti.


Rpl,Rd è la capacità al limite plastico della membratura dissipativa collegata (da valutarsi secondo le indicazioni del § 4.2);

RU,Rd è il limite superiore della capacità della membratura collegata.

Rj,d è la capacità di progetto del collegamento;


I collegamenti delle diagonali alle altre parti strutturali devono garantire il rispetto dei requisiti di cui al § 7.5.3.1

- Qualora non si eseguano le specifiche verifiche di duttilità di cui al § 7.5.3.2, Ie membrature di controvento devono appartenere alla classe 1 o 2;

- nel caso di utilizzo di sezioni circolari cave il rapporto tra diametro d e lo spessore tdeve risultare d / t ≤ 36;

- per sezioni tubolari rettangolari i rapporti larghezza-spessore delle pareti non devono eccedere 18, a meno che le pareti del tubo non siano irrigidite

VERIFICHE DI DUTTILITÀ


Nei telai con controventi a V le travi devono avere capacità sufficiente a rispondere alla domanda relativa alle azioni di natura non sismica senza considerare il contributo fornito dalle diagonali

Inoltre, le travi devono avere capacità sufficiente per rispondere alla domanda che si sviluppa a seguito della plasticizzazione delle diagonali tese e dell’instabilizzazione delle diagonali compresse in condizioni sismiche

Per determinare questo effetto si può considerare una forza pari a Npl,Rd nelle diagonali tese e a gpb × Npl,Rd nelle diagonali compresse, essendo gpb = 0,3 il fattore che permette di stimare la capacità residua dopo l’instabilizzazione della diagonale.

I collegamenti delle diagonali alle altre parti strutturali devono garantire il rispetto del requisito di sovra-resistenza


Controventi a V rovescia


Gerarchia delle resistenze nelle colonne nei campi controventati




Controventi a V rovesciaGli elementi di connessione vengono denominati “corti” quando la plasticizzazione

avviene per taglio, “lunghi” quando la plasticizzazione avviene per flessione e “intermedi” quando la plasticizzazione è un effetto combinato di taglio e flessione.

Le paculiarità del comportamento sismico dei controventi concentrici a V rovescia derivano dalla particolarità dello schema strutturale, che prevede il punto di intersezione degli assi baricentrici delle diagonali localizzato sull’asse baricentrico della trave.

- La rigidezza e la resistenza flessionale della trave sono fondamentali nel determinare la risposta alle azioni sismiche dei controventi a V rovescia.- La risposta sismica migliora all’aumentare della rigidezza della trave e che si deve evitare la sua plasticizzazione.

- Nelle verifiche di resistenza delle diagonali, si deve sempre considerare presente sia la diagonale tesa che quella compressa.



Momento flettente nelle travi

L’instabilità della diagonale compressa, che può verificarsi in occasione di un terremoto violento, determina un brusco aumento delle sollecitazioni flessionali nella trave. Tale incremento è conseguenza di una forza concentrata agente nella mezzeria della trave, corrispondente alla differenza tra la resistenza della diagonale tesa e quella residua della diagonale compressa dopo l’instabilità. Quest’ultima è posta forfettariamente pari al 30% della resistenza a trazione.




La forza di piano da considerare è quella derivante dall’equilibrio alla traslazione orizzontale con la somma algebrica delle componenti orizzontali degli sforzi nelle diagonali

ESEMPIO 1




ESEMPIO 2

Le verifiche di resistenza e stabilità delle travi appartenenti alle campate controventate vanno condotte con riferimento al momento flettente derivante dai carichi verticali, sommato a quello determinato e trasmesso dalle diagonali durante il terremoto, e combinando tale momento flettente con lo forzo normale calcolato con l’equilibrio.



7.5.6 Regole di progetto per strutture con controventi eccentrici




7.5.6 Strutture con controventi eccentrici

I controventi eccentrici dividono le travi dei telai in due o più parti. Ad una di queste parti, chiamata «elemento di connessione», è affidato il compito di dissipare l’energia sismica attraverso deformazioni plastiche cicliche taglianti e/o flessionali. Gli elementi di connessione possono essere componenti orizzontali o verticali.





Gli elementi di connessione vengono denominati “corti” quando la plasticizzazione avviene per taglio, “lunghi” quando la plasticizzazione avviene per flessione e “intermedi” quando la plasticizzazione è un effetto combinato di taglio e flessione.

A TAGLIO

A FLESSIONE


Ml,Rd e Vl,Rd sono, rispettivamente la Capacità a flessione e a taglio dell’elemento link. Quest’ultima calcolata assumendo come area resistente a taglio quella dell’anima

a è il rapporto tra il valore minore ed il maggiore della domanda a flessione attesa alle due estremità dell’elemento di connessione


. In relazione alla lunghezza “e” dell’elemento di connessione, si adotta la classificazione seguente nel caso di sollecitazioni uguali ad entrambe le estremità del link:

:

Valida per sezioni a doppio T

Ml,Rd e Vl,Rd sono, rispettivamente la Capacità a flessione e a taglio dell’elemento link. Quest’ultima calcolata assumendo come area resistente a taglio quella dell’anima

a è il rapporto tra il valore minore ed il maggiore della domanda a flessione attesa alle due estremità dell’elemento di connessione


. In relazione alla lunghezza “e” dell’elemento di connessione, si adotta la classificazione seguente, nel caso di sollecitazioni ad una sola estremità del link:

Valida per sezioni a doppio T

Per le sezioni a doppio T, il momento resistente Ml,Rd ed il taglio resistente Vl,Rd

dell’elemento di connessione sono definiti, in assenza di sollecitazione assiale, rispettivamente da:


tf

tw


Quando sia soddisfatta la relazione NEd /Npl,Rd < 0,15 occorre che ad entrambe le estremità del collegamento la capacità a taglio ed a flessione siano maggiori della corrispondente domanda:

NEd, VEd, e MEd i valori della domanda a sforzo normale, taglio e flessione agenti in corrispondenza delle estremità dell’elemento di connessione e

Npl,Rd la capacità a sforzo normale della sezione costituente l’elemento di connessione


Quando il valore di progetto della domanda a sforzo normale NEd /Npl,Rd ≥ 0,15 tale domanda va tenuta opportunamente in conto riducendo la capacità a taglio, Vl,Rd, e a flessione, Ml,Rd, dell’elemento di connessione stesso, adottando le seguenti espressioni


R = NEd tw (d - 2 tf ) / (VEd A) in cui A è l’area lorda del collegamento

Quando NEd /Npl,Rd ≥ 0,15 occorre inoltre verificare che:



Le membrature non contenenti elementi di connessione, come le colonne e gli elementi diagonali, se sono utilizzati elementi di connessione orizzontali (oppure le travi, se sono utilizzati elementi di connessione verticali) devono possedere una capacità tale da soddisfare la combinazione più sfavorevole della domanda a sforzo normale e della domanda a flessione:

NRd (MEd,VEd) è la capacità a sforzo normale di progetto della colonna o dell’elemento diagonalevalutata tenendo conto dell’interazione con la domanda a flessione ed a taglio, MEd e VEd nella combinazione sismica;

NEd,G è la domanda a sforzo normale nella colonna o nell’elemento diagonale, dovuta ad azioni di tipo non-sismico incluse nella combinazione sismica di progetto;

NEd,E è la domanda a sforzo normale nella colonna o nell’elemento diagonale per l’azione sismica di progetto;

gov è il coefficiente di sovraresistenza del materiale di cui al § 7.5.1;

Per garantire un comportamento dissipativo omogeneo degli elementi di collegamento all’interno della struttura, i coefficienti di sovraresistenza calcolati per tutti gli elementi di connessione devono differire tra il massimo e il minimo di non più del 25%


è pari al valore minimo dei coefficienti

i = 1,5 Vl,Rd,i / VEd,i per elementi di connessione corti

i = 1,5 Ml,Rd,i/ MEd,i per elementi di connessione lunghi ed intermedi

VEd,i e MEd,i sono i valori della domanda a taglio e flessione dell’i-esimo elemento di connessione per la combinazione sismica di progetto,

Vl,Rd,i e Ml,Rd,i sono le capacità a taglio e flessione dell’i-esimo elemento di connessione.

La resistenza ultima degli elementi di connessione (Mu, Vu), a causa di diversi effetti, quali l’incrudimento, la partecipazione della soletta dell’impalcato e l’aleatorietà della tensione di snervamento, è maggiore di M e V .

I collegamenti degli elementi di connessione devo avere una capacità sufficiente a soddisfare una domanda pari a:


Ed,G è la domanda agente sul collegamento per le azioni di tipo non-sismico incluse nella combinazione sismica di progetto;

Ed,E è la domanda agente sul collegamento per l’azione sismica di progetto;

gov è il coefficiente di sovraresistenza;

i è il coefficiente relativo all’elemento di connessione considerato e calcolato come indicato prima


I collegamenti degli elementi di connessione devono avere una capacità sufficiente a soddisfare una domanda pari a:

Qualora non si effettuino specifiche verifiche di duttilità di cui al § 7.5.3.2:

- gli elementi di collegamento lunghi e intermedi devono appartenere alla prima o alla seconda classe di cui al § 4.2.3.1 secondo la Tab. 7.5.I;

- negli elementi di collegamento intermedi e corti devono essere evitati i fenomeni di instabilità locale fino al raggiungimento della completa plasticizzazione della sezione;

- devono essere soddisfatte le prescrizioni sui dettagli costruttivi di cui al presente paragrafo;

- la domanda di rotazione rigida qp tra l’elemento di connessione e l’elemento contiguo non deve eccedere i seguenti valori:


VERIFICHE DI DUTTILITÀ

La modalità di collasso dei link corti è rappresentata dalla instabilità inelastica a taglio dell’anima. Necessità di impiegare irrigidimenti d’anima il cui interasse deve soddisfare le seguenti limitazioni: tw: spessore dell’anima

hb: altezza della travebf: larghezza ala


Nel caso di elementi di connessione corti e travi di modesta altezza (minore di 600 mm) è sufficiente che gli irrigidimenti siano disposti da un solo lato dell’anima, impegnando almeno i 3/4 della altezza dell’anima stessa.

Tali irrigidimenti devono avere spessore non inferiore a tw , e comunque non inferiore a 10 mm, e larghezza pari a (b/2)-tw, essendo tw lo spessore dell’anima del profilo costituente l’elemento di connessione.

Il comportamento degli elementi di connessione lunghi ed intermedi è dominato dalla plasticizzazione per flessione collasso per instabilità locale piattabanda compressa e instabilità flesso-torsionale. Occorre disporre irrigidimenti ad una distanza massima pari a 1.5 b, essendo b la larghezza della flangia del profilo costituente l’elemento di connessione, dall’estremità dell’elemento di connessione stesso.


Il comportamento degli elementi di connessione lunghi ed intermedi è dominato dalla plasticizzazione per flessione collasso per instabilità locale piattabanda compressa e instabilità flesso-torsionale. Occorre disporre irrigidimenti ad una distanza massima pari a 1.5 b, essendo b la larghezza della flangia del profilo costituente l’elemento di connessione, dall’estremità dell’elemento di connessione stesso.

In tutti i casi, gli irrigidimenti d’anima devono essere disposti da ambo i lati in corrispondenza delle estremità delle diagonali.

Gli irrigidimenti hanno lo scopo di ritardare l’instabilità locale e pertanto devono impegnare l’intera altezza dell’anima.

Le saldature che collegano il generico elemento di irrigidimento all’anima devono possedere una capacità tale da soddisfare una domanda pari a Astfy, essendo Ast

l’area dell’elemento di irrigidimento; le saldature che lo collegano alle piattabande devono possedere una capacità superiore a Astfy/4.


Confronto tra tipologie strutturali

Controventi eccentrici e pendoli verticali

Corso di Costruzioni in Acciaio e Legno - Unibas

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