Strutture in acciaio - Angelo Biondi
Strutture in acciaio - Angelo Biondi
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<strong>Strutture</strong> <strong>in</strong> <strong>acciaio</strong><br />
A seguito degli eventi sismici più disastrosi verificatisi <strong>in</strong> passato le strutture <strong>in</strong> <strong>acciaio</strong><br />
hanno resistito meglio di quelle <strong>in</strong> c.a.<br />
Ancora adesso usualmente le strutture <strong>in</strong> <strong>acciaio</strong> risentono meno delle azioni sismiche<br />
rispetto alle strutture <strong>in</strong> c.a.<br />
e questo perché:<br />
Sono leggere<br />
Sono state progettate tenendo conto<br />
della azioni laterali del vento<br />
Per tali ragioni il D.M. ’08 consente di progettare strutture <strong>in</strong> <strong>acciaio</strong> senza tenere conto<br />
degli effetti benefici legati al comportamento non l<strong>in</strong>eare (duttilità)
<strong>Strutture</strong> <strong>in</strong> <strong>acciaio</strong><br />
Nel D.M. ’08 sono previste due categorie di strutture <strong>acciaio</strong>, aventi<br />
differenti comportamenti sotto l’evento sismico<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
<strong>Strutture</strong> non dissipative
<strong>Strutture</strong> non dissipative<br />
Le strutture non dissipative devono<br />
essere progettate per rimanere <strong>in</strong><br />
campo elastico anche sotto sismi<br />
severi (Spettri di progetto per gli S.L.U.)<br />
Tale criterio di progettazione non sarebbe pensabile per le strutture <strong>in</strong> c.a.,<br />
perché a seguito delle masse elevate si otterrebbero forze sismiche non<br />
equilibrabili dalla struttura
Vantaggi<br />
<strong>Strutture</strong> non dissipative<br />
È ammesso un calcolo <strong>in</strong> campo elastico l<strong>in</strong>eare (non si considera <strong>in</strong><br />
alcun modo il campo plastico del materiale)<br />
La progettazione procede secondo le solite consuetud<strong>in</strong>i degli edifici <strong>in</strong><br />
<strong>acciaio</strong> e senza particolari prescrizioni nella verifica delle aste o dei<br />
collegamenti (con la sola differenza di adottare verifiche agli S.L.U.)<br />
I vantaggi della scelta di realizzare<br />
strutture non dissipative<br />
risiedono tutti nella semplicità della<br />
progettazione e della realizzazione<br />
della struttura
Svantaggi<br />
<strong>Strutture</strong> non dissipative<br />
L’unico svantaggio è che deve essere adottato un fattore di struttura<br />
q = 1 (Eurocodici q = 1.5), con conseguente elevato valore<br />
dell’accelerazione sismica di progetto<br />
Tale disposizione imposta dal D.M. ‘08 è una diretta conseguenza<br />
dell’avere scelto la categoria delle strutture non dissipative, progettate<br />
per rimanere sempre <strong>in</strong> campo elastico, senza alcuna capacità di<br />
dissipare energia
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
Queste strutture sono <strong>in</strong> grado di dissipare energia a seguito della loro<br />
duttilità evolvendo <strong>in</strong> campo plastico<br />
È possibile ottenere valori anche elevati del fattore di struttura (1
Svantaggi<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
Devono essere seguite una serie di prescrizioni progettuali e<br />
costruttive e devono essere eseguite verifiche aggiuntive allo scopo di<br />
garantire un’adeguata duttilità strutturale<br />
Tali prescrizioni si differenziano a seconda che sia scelta la classe di<br />
duttilità alta (C.D. “A”) o bassa (C.D. ”B”)<br />
In ogni caso non tutte le strutture <strong>in</strong> <strong>acciaio</strong> possono essere progettate<br />
come dissipative, ma solo quelle aventi determ<strong>in</strong>ate tipologie strutturali
Tipologie strutturali<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
Tipologie strutturali di strutture <strong>in</strong> <strong>acciaio</strong> che possono essere<br />
progettate come dissipative
Tipologie strutturali<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
a) <strong>Strutture</strong> <strong>in</strong>telaiate: composte da telai che resistono alle forze orizzontali con un comportamento prevalentemente<br />
flessionale. In queste strutture le zone dissipative sono pr<strong>in</strong>cipalmente collocate alle estremità delle travi <strong>in</strong> prossimità<br />
dei collegamenti trave-colonna, dove si possono formare le cerniere plastiche e l’energia viene dissipata per mezzo<br />
della flessione ciclica plastica.<br />
<strong>Strutture</strong> <strong>in</strong>telaiate
Tipologie strutturali<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
b) <strong>Strutture</strong> con controventi concentrici: nei quali le forze orizzontali sono assorbite pr<strong>in</strong>cipalmente da membrature<br />
soggette a forze assiali. In queste strutture le zone dissipative sono pr<strong>in</strong>cipalmente collocate nelle diagonali tese.<br />
Pertanto possono essere considerati <strong>in</strong> questa tipologia solo quei controventi per cui lo snervamento delle diagonali<br />
tese precede il raggiungimento della resistenza delle aste strettamente necessarie ad equilibrare i carichi esterni. I<br />
controventi reticolari concentrici possono essere dist<strong>in</strong>ti nelle seguenti tre categorie:<br />
b1) controventi con diagonale tesa attiva, <strong>in</strong> cui la resistenza alle forze orizzontali e le capacità dissipative sono<br />
affidate alle aste diagonali soggette a trazione.<br />
<strong>Strutture</strong> con controventi concentrici a diagonale tesa attiva
Tipologie strutturali<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
b) <strong>Strutture</strong> con controventi concentrici: nei quali le forze orizzontali sono assorbite pr<strong>in</strong>cipalmente da membrature<br />
soggette a forze assiali. In queste strutture le zone dissipative sono pr<strong>in</strong>cipalmente collocate nelle diagonali tese.<br />
Pertanto possono essere considerati <strong>in</strong> questa tipologia solo quei controventi per cui lo snervamento delle diagonali<br />
tese precede il raggiungimento della resistenza delle aste strettamente necessarie ad equilibrare i carichi esterni. I<br />
controventi reticolari concentrici possono essere dist<strong>in</strong>ti nelle seguenti tre categorie:<br />
b2) controventi a V, <strong>in</strong> cui le forze orizzontali devono essere assorbite considerando sia le diagonali tese che quelle<br />
compresse. Il punto d’<strong>in</strong>tersezione di queste diagonali giace su di una membratura orizzontale che deve essere<br />
cont<strong>in</strong>ua.<br />
<strong>Strutture</strong> con controventi concentrici a V
Tipologie strutturali<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
b) <strong>Strutture</strong> con controventi concentrici: nei quali le forze orizzontali sono assorbite pr<strong>in</strong>cipalmente da membrature<br />
soggette a forze assiali. In queste strutture le zone dissipative sono pr<strong>in</strong>cipalmente collocate nelle diagonali tese.<br />
Pertanto possono essere considerati <strong>in</strong> questa tipologia solo quei controventi per cui lo snervamento delle diagonali<br />
tese precede il raggiungimento della resistenza delle aste strettamente necessarie ad equilibrare i carichi esterni. I<br />
controventi reticolari concentrici possono essere dist<strong>in</strong>ti nelle seguenti tre categorie:<br />
b3) controventi a K, <strong>in</strong> cui il punto d’<strong>in</strong>tersezione delle diagonali giace su una colonna. Questa categoria non deve<br />
essere considerata dissipativa <strong>in</strong> quanto il meccanismo di collasso co<strong>in</strong>volge la colonna.<br />
<strong>Strutture</strong> con controventi concentrici a K
Tipologie strutturali<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
c) <strong>Strutture</strong> con controventi eccentrici: nei quali le forze orizzontali sono pr<strong>in</strong>cipalmente assorbite da membrature<br />
caricate assialmente, ma la presenza di eccentricità di schema permette la dissipazione di energia nei traversi per<br />
mezzo del comportamento ciclico a flessione e/o taglio. I controventi eccentrici possono essere classificati come<br />
dissipativi quando la plasticizzazione dei traversi dovuta alla flessione e/o al taglio precede il raggiungimento della<br />
resistenza ultima delle altre parti strutturali.<br />
<strong>Strutture</strong> con controventi eccentrici
Tipologie strutturali<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
d) strutture a mensola o a pendolo <strong>in</strong>verso: costituite da membrature presso<strong>in</strong>flesse <strong>in</strong> cui le zone dissipative sono<br />
collocate alla base.<br />
e) <strong>Strutture</strong> <strong>in</strong>telaiate con controventi concentrici: nelle quali le azioni orizzontali sono assorbite sia da telai che da<br />
controventi agenti nel medesimo piano.<br />
f) <strong>Strutture</strong> <strong>in</strong>telaiate con tamponature: costituite da tamponature <strong>in</strong> muratura o calcestruzzo non collegate ma <strong>in</strong><br />
contatto con le strutture <strong>in</strong>telaiate.<br />
<strong>Strutture</strong> a pendolo <strong>in</strong>verso <strong>Strutture</strong> <strong>in</strong>telaiate con controventi concentrici
Tipologie strutturali<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
Tipologie strutturali differenti da quelle previste risultano <strong>in</strong> generale<br />
scarsamente duttili, e devono essere progettate come non dissipative.
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
Le ord<strong>in</strong>ate spettrali sono ridotte sempre tramite il fattore di struttura q<br />
q = Fattore di struttura<br />
0 T TB<br />
1 T q T<br />
S 1<br />
e<br />
T B<br />
<br />
T a <br />
<br />
<br />
<br />
g S FO<br />
<br />
q TB<br />
FO<br />
TB<br />
<br />
1<br />
Se <br />
q<br />
C<br />
S<br />
S<br />
e<br />
e<br />
T Tc<br />
T ag<br />
S FO<br />
T T T<br />
1<br />
T<br />
C<br />
T ag<br />
S FO<br />
<br />
<br />
q T <br />
TD T<br />
D<br />
1<br />
C D<br />
T ag<br />
S FO<br />
<br />
2 <br />
q T <br />
<br />
T T
Fattore di struttura<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
q q0<br />
<br />
KR<br />
q 0 = esprime la duttilità della soluzione strutturale (Tipologia + Classe)
Fattore di struttura<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
q q0<br />
<br />
KR<br />
K R = parametro funzione della regolarità dell’edificio<br />
K R<br />
Tipologia Strutturale<br />
1.0 Edifici Regolari <strong>in</strong> Altezza<br />
0.8 Edifici Non Regolari <strong>in</strong> Altezza
Fattore di struttura<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
q q0<br />
<br />
I valori del fattore di struttura possono essere assunti come validi se si<br />
rispettano tutte le regole di dettaglio previste.<br />
Tali regole hanno lo scopo di scongiurare le modalità di collasso fragili<br />
e di conseguenza di conferire duttilità alla struttura.<br />
Fra le modalità di collasso fragile nelle strutture <strong>in</strong> <strong>acciaio</strong> riveste<br />
particolare importanza quella dovuta ad <strong>in</strong>stabilità.<br />
KR
Regole di dettaglio<br />
Si dist<strong>in</strong>guono nei seguenti ambiti:<br />
<strong>Strutture</strong> dissipative<br />
Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturali<br />
Regole di dettaglio per le strutture <strong>in</strong>telaiate<br />
Regole di dettaglio per le strutture a controventi concentrici<br />
Regole di dettaglio per le strutture a controventi eccentrici
Regole di dettaglio per tutte le<br />
tipologie strutturali<br />
Parti compresse delle membrature<br />
le membrature sono classificate <strong>in</strong> funzione della duttilità nei confronti<br />
dei fenomeni di <strong>in</strong>stabilità locale
CLASSIFICAZIONE DELLE SEZIONI IN ACCIAIO<br />
Le sezioni trasversali degli elementi strutturali si classificano <strong>in</strong> funzione della loro capacità rotazionale C θ<br />
def<strong>in</strong>ita come:<br />
Essendo:<br />
Regole di dettaglio per tutte le<br />
tipologie strutturali<br />
C θ = q r / q y -1<br />
q r = curvatura corrispondenti al raggiungimento della deformazione ultima<br />
q y = curvatura corrispondenti al raggiungimento dello snervamento.
Regole di dettaglio per tutte le<br />
tipologie strutturali<br />
CLASSIFICAZIONE DELLE SEZIONI IN ACCIAIO<br />
Classe 1 - Quando la sezione è <strong>in</strong> grado di sviluppare una cerniera<br />
plastica avente la capacità rotazionale richiesta per l’analisi strutturale<br />
condotta con il metodo plastico senza subire riduzioni della resistenza.<br />
Possono generalmente classificarsi come tali le sezioni con capacità<br />
rotazionale C θ 3.<br />
Classe 2 - Quando la sezione è <strong>in</strong> grado di sviluppare il proprio momento<br />
resistente plastico, ma con capacità rotazionale limitata. Possono<br />
generalmente classificarsi come tali le sezioni con capacità rotazionale<br />
C θ 1,5.<br />
Classe 3 - Quando nella sezione le tensioni calcolate nelle fibre estreme<br />
compresse possono raggiungere la tensione di snervamento, ma<br />
l’<strong>in</strong>stabilità locale impedisce lo sviluppo del momento resistente plastico;<br />
Classe 4 - Quando, per determ<strong>in</strong>arne la resistenza flettente, tagliante o<br />
normale, è necessario tener conto degli effetti dell’<strong>in</strong>stabilità locale <strong>in</strong> fase<br />
elastica nelle parti compresse che compongono la sezione. In tal caso<br />
nel calcolo della resistenza la sezione geometrica effettiva può sostituirsi<br />
con una sezione efficace.
Regole di dettaglio per tutte le<br />
tipologie strutturali<br />
CLASSIFICAZIONE DELLE SEZIONI IN ACCIAIO<br />
Le sezioni di classe 1 e 2 si def<strong>in</strong>iscono compatte, quelle di classe 3 moderatamente<br />
snelle e quelle di classe 4 snelle.<br />
Per i casi più comuni delle forme delle sezioni e delle modalità di sollecitazione, le<br />
Tabelle 4.2.I, 4.2.II e 4.2.III delle N.T.C. 2008 forniscono <strong>in</strong>dicazioni per la classificazione<br />
delle sezioni.<br />
La classe di una sezione composta corrisponde al valore di classe più alto tra quelli dei<br />
suoi elementi componenti.
Regole di dettaglio per tutte le<br />
tipologie strutturali<br />
Parti compresse delle membrature<br />
La vecchia Ord<strong>in</strong>anza 3274 utilizzava il parametro S per la<br />
classificazione delle sezioni. S rappresenta il rapporto tra la tensione<br />
che determ<strong>in</strong>a la <strong>in</strong>stabilità locale dell' asta f i e la tensione di<br />
snervamento f y<br />
Il concetto del D.M. ‘08 e' fondamentalmente lo stesso, ma si utilizzano<br />
più semplici valutazioni basate su rapporti geometrici della sezione<br />
codificati <strong>in</strong> apposite tabelle
Regole di dettaglio per tutte le<br />
tipologie strutturali<br />
Parti compresse delle membrature<br />
Rapporti geometrici della sezione tubolare<br />
C.D.S. W<strong>in</strong> provvede automaticamente alla valutazione<br />
della classe della sezione
Regole di dettaglio per tutte le<br />
tipologie strutturali<br />
Parti compresse delle membrature<br />
In funzione della classe di duttilità adottata (alta o bassa) è possibile o<br />
meno utilizzare alcune sezioni
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Riguardano il dimensionamento di<br />
travi<br />
colonne<br />
collegamenti trave-colonna<br />
collegamenti colonna-fondazione
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Verifica di resistenza delle travi<br />
La resistenza flessionale plastica e la capacità di rotazione non<br />
devono essere <strong>in</strong>ficiate dalla contemporanea presenza di taglio e<br />
sforzo normale. Ciò si ritiene soddisfatto se risulta:
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Verifica di resistenza delle colonne<br />
Le colonne devono essere progettate con le azioni<br />
W è il m<strong>in</strong>imo valore tra M pl,Rd,i / M Ed,i<br />
di tutte le travi <strong>in</strong> cui si attende la<br />
formazione di cerniere plastiche.<br />
Tali relazioni derivano direttamente dal criterio della Gerarchia delle<br />
resistenze
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Verifica a taglio delle colonne<br />
Anche questa limitazione deriva direttamente dal criterio della<br />
Gerarchia delle resistenze (il taglio di progetto deve essere <strong>in</strong>feriore al<br />
50% del taglio plastico)
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Gerarchia delle resistenze<br />
Per i telai ad alta e bassa duttilità il meccanismo di collasso deve<br />
essere controllato a mezzo del metodo della gerarchia delle resistenze<br />
Collasso globale Collasso di piano
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Gerarchia delle resistenze<br />
Per telai ad alta duttilità i momenti plastici di travi e pilastri<br />
convergenti ad uno stesso nodo devono rispettare la condizione<br />
g RD = 1,3 per strutture <strong>in</strong> classe CD”A” e 1,1 per CD”B”<br />
M C,pl,Rd = Momento resistente della colonna calcolato per i livelli di sollecitazione assiale presenti<br />
nella colonna nelle comb<strong>in</strong>azioni sismiche delle azioni<br />
M b,pl,Rd = Momento resistente delle travi che convergono nel nodo trave-colonna.<br />
Questa condizione garantisce la formazione della cerniera plastica<br />
nella trave (più duttile del pilastro)
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Gerarchia delle resistenze<br />
Per entrambe le classi duttilità nei collegamenti trave-colonna deve<br />
essere garantita la sovraresistenza del collegamento per consentire la<br />
formazione di cerniere plastiche alle estremità delle travi<br />
M j,<br />
Rd 1, 1g<br />
R,<br />
d M<br />
b,<br />
pl,<br />
Rd<br />
g RD = Fattore di sovraresistenza<br />
M b,pl,Rd = Momento resistente della trave collegata<br />
M j,Rd = Momento flettente resistente del collegamento travecolonna<br />
il collegamento deve essere sovraresistente (circa il 140% rispetto al<br />
momento plastico della trave)
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Gerarchia delle resistenze<br />
Per entrambe le classi duttilità nei collegamenti colonna-fondazione<br />
deve essere garantita la sovraresistenza del collegamento<br />
M C,<br />
Rd 1, 1g<br />
R,<br />
d M<br />
c,<br />
pl,<br />
Rd<br />
g RD = Fattore di sovraresistenza<br />
N <br />
M c,pl,Rd = Momento resistente plastico di progetto della<br />
colonna, calcolato per lo sforzo normale di progetto N Ed<br />
M C,Rd = Momento resistente plastico del collegamento<br />
colonna-fondazione<br />
Ed<br />
Garantisce la formazione di cerniere plastiche nella colonna e non nel<br />
collegamento
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Gerarchia delle resistenze<br />
Per entrambe le classi duttilità nei pannelli nodali il taglio di progetto<br />
deve rispettare la condizione:<br />
Si evitano fenomeni di plasticizzazione od <strong>in</strong>stabilità a taglio<br />
(scarsamente duttili)
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Gerarchia delle resistenze<br />
Per entrambe le classi duttilità nei pannelli nodali è necessario<br />
escludere la plasticizzazione a taglio<br />
La prestazione richiesta ai pannelli nodali è almeno il doppio di quella<br />
richiesta dai consueti metodi
Regole di dettaglio per le strutture<br />
<strong>in</strong>telaiate<br />
Gerarchia delle resistenze<br />
Per i pannelli nodali risulta praticamente obbligata la scelta di<br />
soluzioni con irrigidimenti
Regole di dettaglio per le strutture a<br />
controventi concentrici<br />
Riguardano il dimensionamento di<br />
travi<br />
colonne<br />
controventi<br />
collegamenti<br />
distribuzione <strong>in</strong> altezza delle<br />
rigidezze laterali di piano
Regole di dettaglio per le strutture a<br />
controventi concentrici<br />
Rigidezza laterale di piano<br />
Ad ogni piano ed <strong>in</strong> ogni direzione al variare del verso del sisma la<br />
struttura deve esibire rigidezza tale che
Regole di dettaglio per le strutture a<br />
controventi concentrici<br />
Diagonali di controvento<br />
Le diagonali devono essere ad <strong>in</strong>stabilità controllata<br />
Tale prescrizione si prefigge i seguenti scopi:<br />
prevenire danneggiamenti dei fazzoletti di collegamento a causa di<br />
azioni fuori del loro piano<br />
prevenire rotture del controvento per fenomeni di snervamento<br />
ciclico a trazione non compensati (a causa della <strong>in</strong>stabilità) dai<br />
successivi cicli di compressione
Regole di dettaglio per le strutture a<br />
controventi concentrici<br />
Diagonali di controvento<br />
Le sezioni dei controventi devono appartenere alle Classi 1 o 2<br />
Risultano esclusi gli angolari
Regole di dettaglio per le strutture a<br />
controventi concentrici<br />
Diagonali di controvento<br />
Le sezioni dei controventi devono appartenere alle Classi 1 o 2<br />
Risultano esclusi gli angolari