Elementi strutturali “secondari”

Laboratorio di progettazione strutturale A.A. 2009/2010
Concezione strutturale
degli edifici in zona
sismica
Prof. Ing. Andrea Dall’Asta
Università di Camerino
Dipartimento di
PROgettazione e Costruzione dell’Ambiente
e-mail:[email protected]
Progettazione sismica degli edifici in c.a.
Concezione strutturale
- Sistemi resistenti verticali
- Regolarità in altezza
- Rigidezza/Resistenza di piano
- Regolarità in pianta
- Giunti
- Elementi strutturali secondari (scale)
- Elementi non strutturali – sicurezza
- Elementi non strutturali - interazione
Concezione strutturale
Sistemi sismoresistenti
I sistemi strutturali più adatti a sopportare
l’azione sismica sono quei sistemi in grado di
conferire alla struttura rigidezza nei confronti
degli spostamenti orizzontali e la possibilità di
sviluppare meccanismi dissipativi in un gran
numero di elementi.
a)Telai resistenti a momento (str. in c.a.)
b)Telai con controventi concentrici (str. in acc.)
c)Telai con controventi eccentrici (str. in acc.)
d)Telai con controventi eccentrici (str. in acc.)
e)Sistemi telaio parete (str. in c.a. e acc.)
f)Sistemi a pareti accoppiate (str. in c.a. e acc.)
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Concezione strutturale
Telai resistenti a momento
Comportamento elastico – situazioni limite
Telaio a mensola
Telaio shear-type
Spostamenti
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Concezione strutturale
Telai controventati
I telai controventati sono comunemente impiegati nelle
strutture in acciaio dove i telai resistenti a momento
risultano economicamente svantaggiosi.
Essenzialmente questo tipo di telaio tende a comportarsi
come una struttura reticolare con elementi
prevalentemente tesi e compressi.
L’energia può essere dissipate solo negli elementi di
controventamento che però dovranno essere dimensionati
per non instabilizzarsi.
Le strutture con controventi eccentrici rappresentano un
compromesso tra i telai resistenti a momento ed i telai
controventati concentricamente.
Tali strutture risultano avere una buona rigidezza e
consentono la dissipazione di una notevole quantità di
energia nei tratti di trave compresi tra i controventi e le
colonne (links) per la formazione di meccanismi taglianti
e/o per la formazione di cerniere plastiche rotazionali
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Concezione strutturale
Pareti singole o accoppiate
Il sistema a pareti singole o accoppiate è caratterizzato da un comportamento a
mensola. Le pareti sono soggette a forti momenti di incastro al piede oltre che da
forze di compressione dovute ai carichi verticali.
Costituiscono elementi molto rigidi ma normalmente non danno la possibilità di
dissipare molta energia in quanto è evidente che potrà formarsi una zona di
dissipazione solo in corrispondenza dell’incastro al piede.
Possono essere anche accoppiate con travi di collegamento che devono essere
attentamente progettate per evitare fenomeni di rottura fragile di taglio.
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Concezione strutturale
Sistemi telaio parete
Traggono vantaggio mutuamente dalle caratteristiche di rigidezza della parete e
dalle caratteristiche dissipative del telaio. Il loro accoppiamento tende a
regolarizzare la formazione dei meccanismi dissipativi del telaio ma può
nascondere insidie nella formazione di una zona di dissipazione con scarsa
capacità deformativa al piede della parete.
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Concezione strutturale
Semplicità strutturale
I percorsi attraverso cui la struttura scarica le forze alle fondazioni devono essere chiari
e diretti.
In tal modo, tutte le operazioni finalizzate alla progettazione dell’edificio, dalla
modellazione alla verifica degli elementi strutturali risulta soggetta a minori incertezze.
Edificio dotato di semplicità strutturale
travi
Edificio con comportamento strutturale
poco chiaro
travi
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Concezione strutturale
Uniformità, simmetria e ridondanza
L’iperstaticità è un requisito fondamentale
affinché si possa parlare di strutture duttili.
Le strutture isostatiche esibiscono
comportamenti fragili nel senso che, una volta
raggiunti i limiti di resistenza di uno solo degli
elementi strutturali, la costruzione si trasforma
in un cinematismo.
Le strutture in c.a. sono fortemente iperstatiche
mentre le strutture in acciaio, progettate
secondo logiche di ottimizzazione spinta,
possono risultare poco ridondanti e, per questo,
meno duttili.
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Progettazione sismica degli edifici in c.a.
Concezione strutturale
- Sistemi resistenti verticali
- Regolarità in altezza
- Rigidezza/Resistenza di piano
- Regolarità in pianta
- Giunti
- Elementi strutturali secondari (scale)
- Elementi non strutturali – sicurezza
- Elementi non strutturali - interazione
Concezione strutturale
Regolarità in altezza
Gli elementi strutturali devono essere distribuiti
uniformemente anche in altezza per evitare la
concentrazione di sforzi in zone dove è
normalmente richiesta un’alta capacità
deformativa (duttilità).
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Concezione strutturale
Regolarità in altezza
La presenza di pareti che non si estendono a tutt’altezza può creare rotture localizzate
a livello di piano o nelle colonne in cui tendono a concentrarsi gli sforzi di
compressione. Tali sforzi tendono a ridurre la capacità rotazionale delle cerniere che
tenderebbero a formarsi agli estremi delle colonne del piano soffice.
12
Regolarità in altezza
Concezione strutturale
Regolarità in altezza (DM2008)
e) tutti i sistemi resistenti verticali (quali telai e pareti) si estendono per tutta l’altezza della
costruzione;
f) massa e rigidezza rimangono costanti o variano gradualmente, (limiti definiti);
g) strutture intelaiate in CD “B” il rapporto tra resistenza effettiva e resistenza richiesta dal calcolo
non è significativamente diverso per orizzontamenti diversi (limiti definiti);
h) i restringimenti della sezione orizzontale della costruzione avvengono in modo graduale da un
orizzontamento al successivo (limiti definiti)
Elementi verticali non continui
Bruschi cambiamenti di rigidezza e
massa
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Progettazione sismica degli edifici in c.a.
Concezione strutturale
- Sistemi resistenti verticali
- Regolarità in altezza
- Rigidezza/Resistenza di piano
- Regolarità in pianta
- Giunti
- Elementi strutturali secondari (scale)
- Elementi non strutturali – sicurezza
- Elementi non strutturali - interazione
Concezione strutturale
Comportamento a diaframma degli impalcati di piano
Gli impalcati di piano rigidi consentono una più efficiente distribuzione delle forza sismiche
agli elementi resistenti.
Gli impalcati devono possedere requisiti di rigidezza, resistenza ed essere efficacemente
collegati alla struttura resistente.
Nel caso di elementi notevolmente allungati o articolati può essere necessario realizzare
giunti sismici in modo da dividere gli edifici in unità in cui l’ipotesi di rigidezza a diaframma
sia verificata.
Particolare attenzione deve essere posta nel caso in cui gli elementi controventanti siano
costituiti da elementi di rigidezza molto diversa, come nel caso di telai accoppiati a pareti
di taglio e/o nuclei ascensori, o nel caso di cambi di rigidezza di elementi controventanti
sopra e sotto all’impalcato.
Edifici con piante
eccessivamente
articolata
Edifici con pianta
regolare
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Progettazione sismica degli edifici in c.a.
Concezione strutturale
- Sistemi resistenti verticali
- Regolarità in altezza
- Rigidezza/Resistenza di piano
- Regolarità in pianta
- Giunti
- Elementi strutturali secondari (scale)
- Elementi non strutturali – sicurezza
- Elementi non strutturali - interazione
Concezione strutturale
Regolarità in pianta
Gli elementi di controvento dovranno essere armonizzati nella struttura osservando
regole di regolarità. Durante il sisma, la struttura risulta soggetta a forze di inerzia
che si possono ritenere applicate in corrispondenza del centro delle masse (se il
piano è rigido a diaframma).
La presenza di elementi di controvento con rigidezze traslazionali molto diverse
provoca un accoppiamento torsionale del sistema. Ciò penalizza le colonne più
centrifugate che possono cernierizzarsi. A seguito di ciò, l’accoppiamento torsionale
tende ad accentuarsi ulteriormente.
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Concezione strutturale
Regolarità in pianta
La struttura deve essere concepita in
modo da avere la coincidenza tra
centro delle masse e centro delle
rigidezze (disaccoppiamento
torsionale). La simmetria strutturale
va perseguita nei casi in cui si abbia
simmetria formale dell’edificio.
Gli elementi irrigidenti devono essere
disposti in pianta per assicurare circa
la stessa rigidezza nelle due
direzioni.
Occorrerebbe fare attenzione a
realizzare anche la coincidenza tra
centro delle masse e centro delle
resistenze in quanto, una volta che la
struttura è entrata in campo
anelastico, potrebbe subire fenomeni
di accoppiamento torsionale dovuti
alla non uniforme distribuzione delle
resistenze in pianta.
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Concezione strutturale
Resistenza e rigidezza bidirezionali
È importante che la struttura possieda caratteristiche di rigidezza e resistenza simili nelle
due direzioni. Il sisma può infatti investire la struttura con scuotimenti aventi direzione
qualsiasi.
La rigidezza della struttura ne limita gli spostamenti evitando danneggiamenti degli
elementi non strutturali per sismi di bassa intensità e limitando gli effetti del secondo
ordine.
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Concezione strutturale
Resistenza e rigidezza torsionale
La resistenza e la rigidezza nei confronti di moti di piano torsionali, garantiscono il
buon comportamento della struttura nei confronti delle eccentricità accidentali delle
masse.
Gli elementi di controventamento devono essere perciò disposti perimetralmente e con
direzione ortogonale alla congiungente con il centro delle rigidezze.
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Concezione strutturale
Uniformità, simmetria e ridondanza in pianta
Gli elementi strutturali devono essere distribuiti uniformemente nella costruzione.
L’uniformità degli elementi strutturali in pianta comporta una più diretta trasmissione delle
forze di inerzia che risultano distribuite sugli impalcati. Ciò riduce gli sforzi negli
orizzontamenti che altrimenti dovrebbero essere adeguatamente irrobustiti.
I meccanismi dissipativi che si formano tendono ad interessare tutta le struttura risultando
così più efficienti.
In taluni casi si può ricorrere alla creazione di giunti sismici in modo da avere unità dinamiche
con struttura uniforme.
Si riduce inoltre l’eccentricità tra il baricentro ed il centro di rigidezza di piano
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Progettazione sismica – Comportamento dissipativo (7.2)
- Regolarità in pianta (DM 2008)
a) la configurazione in pianta di masse e rigidezze è compatta e approssimativamente
simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali,;
b) Costruzione inscrivibile in un rettangolo con rapporto tra i lati < 4;
c) nessuna dimensione di eventuali rientri o sporgenze supera il 25 % della dimensione
totale della costruzione nella corrispondente direzione;
d) gli orizzontamenti possono essere considerati infinitamente rigidi nel loro piano
rispetto agli elementi verticali e sufficientemente resistenti.
Applicazione
Edificio con travi emergenti perimetrali e a spessore interne
Carpenteria piano tipo
55x24
55x24
55x24
55x24
55x24
55x24
55x24
55x24
55x24
55x24
Sezione trasversale
Pilastri: 30x70 (1° 2° 3° elevaz.), 30x60 (4° 5° elevaz.), 30x50 (6° elevaz.)
Elementi strutturali “secondari”
18,6
altezza edificio (m)
Telai con travi a spessore
SPOSTAMENTI ASSOLUTI DIR. X
10,97 %
15,5
6,52 %
4,90 %
12,4
4,05 %
4,09 %
2,67 %
9,3
6,2
3,1
0
0
1,55
3,1
4,65
6,2
7,75
9,3
K ≤ 15%
spostamenti (cm)
travi attive
travi pendolari
SPOSTAMENTI ASSOLUTI DIR. Y
9,30 %
altezza edificio (m)
18,6
15,5
CD”A”
6,07 %
4,77 %
12,4
4,11 %
9,3
4,11 %
6,2
2,86 %
3,1
0
0
1,55
3,1
4,65
6,2
spostamenti (cm)
travi attive
travi pendolari
7,75
9,3
I telai con travi a spessore
possono essere
considerati elementi
secondari
Progettazione sismica degli edifici in c.a.
Concezione strutturale
- Sistemi resistenti verticali
- Regolarità in altezza
- Rigidezza/Resistenza di piano
- Regolarità in pianta
- Giunti e collegamenti
- Elementi strutturali secondari (scale)
- Elementi non strutturali – sicurezza
- Elementi non strutturali - interazione
Strutture c.a. – Danni
• Esecuzione scorretta – giunti inadeguati
Strutture c.a. – Danni
• Esecuzione scorretta – giunti inadeguati
Strutture c.a. – Danni
• collegamenti inadeguati
Strutture c.a. – Danni
• collegamenti inadeguati
Progettazione sismica degli edifici in c.a.
Concezione strutturale
- Sistemi resistenti verticali
- Regolarità in altezza
- Rigidezza/Resistenza di piano
- Regolarità in pianta
- Giunti
- Elementi strutturali secondari (scale)
- Elementi non strutturali – sicurezza
- Elementi non strutturali - interazione
Concezione strutturale
Uniformità, simmetria e ridondanza
Occorre porre attenzione anche alla collocazione dei vani
scala all’interno dell’edificio in quanto costituiscono
elementi notevolmente rigidi nei confronti delle traslazioni
di piano. La loro posizione fortemente eccentrica può
creare accoppiamenti torsionali pericolosi.
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Elementi strutturali “secondari”
Tipologie di scala
Scala con trave interpiano
Scala con “pilastrini”
Elementi strutturali “secondari”
Scala con trave interpiano
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
22,78%
K 
19,82%
18,25%
16,92%
scala
no scala
15,56%
13,94%
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
K NS  K S
100
KS
KS = rigidezza modello
con scala
KNS= rigidezza modello
senza scala
La scala non può essere considerata elemento strutturale secondario
Elementi strutturali “secondari”
Scala con pilastrini e travi a spessore
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
12,85%
K 
10,90%
9,93%
completo
9,07%
senza scala e travi a
spessore disattivate
8,17%
6,41%
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
K NS  K S
100
KS
KS = rigidezza modello
completo
KNS= rigidezza modello
senza scala e con
travi “non attive”
Scala con pilastrini e travi a spessore sono elementi secondari
Progettazione sismica degli edifici in c.a.
Concezione strutturale
- Sistemi resistenti verticali
- Regolarità in altezza
- Rigidezza/Resistenza di piano
- Regolarità in pianta
- Giunti
- Elementi strutturali secondari (scale)
- Elementi non strutturali – sicurezza
- Elementi non strutturali - interazione
Progettazione sismica – Comportamento dissipativo (7.2)
- Elementi non strutturali
Danneggiamento degli elementi non strutturali
• Deformabilità eccessiva
Danneggiamento degli elementi non strutturali
• Esecuzione scorretta – pannelli non confinati
Strutture c.a. – Danni
• Esecuzione scorretta – pannelli non confinati e non collegati
Strutture c.a. – Danni
• Esecuzione scorretta – pannelli non confinati e non collegati
Progettazione sismica – Comportamento dissipativo (7.2)
- Elementi non strutturali
- Azione sismica di progetto
S aWa
Fa 
qa
S a  S  3(1 Z / H ) 2  0.5
 1(1Ta /T 1)

- Verifica sismica del componente
- Verifica dei collegamenti
= ag/g
S = coefficiente di amplificazione dovuto al terreno
Z = quota dell’elemento
H = altezza della costruzione
Ta = periodo proprio dell’elemento
T1 = periodo proprio della struttura (nella direzione considerata)
Progettazione sismica – Comportamento dissipativo (7.2)
- Elementi non strutturali
- Coefficiente di riduzioni
qa = 1.0
Parapetti o decorazioni aggettanti
Insegne e pannelli pubblicitari
Ciminiere, antenne e serbatoi su supporti funzionanti come mensole senza controventi per più di
metà della loro altezza
qa = 2.0
Pareti interne ed esterne
Tramezzature e facciate
Ciminiere, antenne e serbatoi su supporti funzionanti come mensole non controventate per meno
di metà della loro altezza o connesse alla struttura in corrispondenza o al di sopra del loro centro
di massa
Elementi di ancoraggio per armadi e librerie permanenti direttamente poggianti sul pavimento
Elementi di ancoraggio per controsoffitti e corpi illuminanti
Pareti – Circolare C7.3.6.3
Rete da intonaco o armatura dei giunti di malta + collegamento alla struttura
Progettazione sismica degli edifici in c.a.
Concezione strutturale
- Sistemi resistenti verticali
- Regolarità in altezza
- Rigidezza/Resistenza di piano
- Regolarità in pianta
- Giunti
- Elementi strutturali secondari (scale)
- Elementi non strutturali – sicurezza
- Elementi non strutturali - interazione
Elementi non strutturali
- Elementi non strutturali
- Influenza sulla risposta
• FASE 1 – Edificio integro
Ripartizione azioni tra struttura ed elementi non strutturali
• FASE 2 - Danneggiamento elementi non strutturali
Danneggiamento progressivo degli elementi strutturali.
Pericolo di irregolarità di rigidezza in pianta e in elevazione
(piano soffice)
• FASE 3 – Danneggiamento elementi strutturali
Duttilità legata alla gerarchia delle resistenze
Danno indotto da irregolarità degli elementi non strutturali
• Piano soffice
Danno indotto da irregolarità degli elementi non strutturali
• Piano soffice
Danno indotto da irregolarità degli elementi non strutturali
• Rotture per taglio (pilastro tozzo)
Danno indotto da irregolarità degli elementi non strutturali
• Rotture per taglio indotte dalla muratura
Danno indotto da irregolarità degli elementi non strutturali
• Rotture per taglio indotte dalla muratura
Progettazione sismica – Comportamento dissipativo (7.2)
- Elementi non strutturali
- Irregolarità in pianta da considerare. In alternativa
eccentricità accidentale amplificata con fattore 2
- Irregolarità in altezza da considerare. In alternativa
azioni amplificate con fattore 1.4
Laboratorio di progettazione strutturale A.A. 2009/2010
Concezione strutturale
degli edifici in zona
sismica
Prof. Ing. Andrea Dall’Asta
Università di Camerino
Dipartimento di
PROgettazione e Costruzione dell’Ambiente
e-mail:[email protected]