2 - Ingegneria Strutturale

Corso di Progetto di StruttureResponsabile del corso: Prof. Marco di PriscoCollaboratori: Prof. R. Felicetti, Ing. M. ValenteAllievi Ingegneri Edili-ArchitettoAnno accademico 2009-20010Nodi e ConnessioniMarco di Prisco1. Principi ispiratori dei dettagli costruttivi2. Nodi trave-colonna3. Connessioni strutture prefabbricate4. Alcuni esempi

• sovradimensionare la resistenza del nodo trave-colonna perintrodurre le cerniere plastiche nelle travi, lasciando integri ipilastriρ w[%]by Swann ‘69

y M. Johansson 2001

Ferro diagonale non consideratoconsiderato

ωs=0.032 − 0.041ωs=0.119 − 0.162ωs=0.110 − 0.155

y E. Skettrup et al. 1984

Taglio in un nodo interno

Dutt. H:cVerificacompressionewj{ bw;( bc0.5hc)}{ b ;( b 0.5h)}se bc≤ bw: b j = min +se b > b : b = min +cwch jwη Nodi interniVjhd≤ ηfcd1−υηdbjhc;η =0.6 1( − f / 250)ckNodi interniVAjhdshbjfh≤ 0.8ηfywdjw≥ctdcd1−d2⎛ V jhd⎞⎜ ⎟bjh⎝ jc ⎠f + υ fυηcdd−bjhcNodi esterniPer limitare la fessurazione:Oppure integrità dopo fessura diagonale:int.ext.2+ armatura vert. Asv,i≥ Ash( h jc / h jw )fctd3AAshshffywdywd≥ γ≥ γRdRd( As1+ As2) f yd( 1 − 0.8υd)A f ( 1−0.8υ)s21.2ydd

Problemi di aderenza: limitare il diametro delle barredhblc≤7.5fγ fRdctmyd1+0.8υd1 + 0.75kρ'D ρmaxGiunti internidh7.5f( 1+0. υ )bl≤ctm8c γRdfyddGiunti esterniOppure:

y Campione et al., 2004, 2005, 2006, 2007A s4 φ 10φ 6/100200P, δCylindrical joint160A s10160100Steel plateaColumnCorbel160 190 160190φ 6/100dA s4 φ 10A stCylindricalsupportA stA sP/2 P/2

150250Main bars - 2 φ 10P/2 (kN)1002 φ 102 φ 10 + Vf = 1.0%2 φ 10 +4 φ 6P/2 (kN)200150100Vf = 0Vf = 0.5%Vf = 1%5050Vf = 1%Vf =0%00 2 4 6 8 10δ (mm)without fibres00 2 4 6 8 10δ (mm)with fibres

ConnessioniVanno considerate parte integrante del sistema strutturale !Hanno la funzione di :• connettere le singole componenti all’intera struttura• garantire il comportamento di insieme del sottosistemastrutturale (es: azione di diaframma)• consentire il trasferimento della forza dal punto diapplicazione al sistema di stabilizzazioneAttenzione alle tolleranze !

Tipologie di unioni• unioni reciproche tra elementi di solaio (o copertura)Impalcati monolitici con diaframma rigidoImpalcati continui con diaframma rigidoCoperture discontinue con diaframma deformabileCoperture sconnesse senza diaframma• unioni tra elementi di solaio e travi portanti• unioni tra trave e pilastro• unioni tra segmenti di pilastro o tra pilastro e fondazione• attacchi dei pannelli di tamponamento alla struttura

Le forze trasferibili nelle connessioni sono quelle di:a) compressione.• E’ importante considerare il rischio di superficiimperfette che creano concentrazioni di sforzo.• Il trasferimento diretto tra gli elementi è possibilesolo in presenza di piccoli sforzi.• Malta (t=10-30 mm) o calcestruzzo con aggregati dipiccolo diametro (30-50mm) possono essere usati perregolarizzare le superfici a contatto.• In alternativa elementi di neoprene (2-20 mm o talvolta> 20 mm). Occorre tener presente che l’aumento dellospessore consente in genere rotazioni e spostamenti! Pergrandi sforzi si può ricorrere ad elementi di neoprenearmati con lamierini o piastre metalliche.• Talvolta sono usate anche piastre metalliche checonsentono anche connessioni saldate

B a l a n c e d L i f t M e t h o d

B a l a n c e d L i f t M e t h o d

B a l a n c e d L i f t M e t h o d

Compression strut bridge – node „B“Compression strutbridge„B“pierB a l a n c e d L i f t M e t h o d

Preliminary test on the hingesSteel thickness, t= 10 mmHertzpressure:B a l a n c e d L i f t M e t h o dpmaxConcrete C50/60F⋅E ⎛ 1 1= ⋅ ⎜ +( )⎞⎟π⋅ L ⋅ 1− v² ⎝ d1 d2⎠

Production of the hingesB a l a n c e d L i f t M e t h o d

800mmB a l a n c e d L i f t M e t h o dR = 2,00 m; t = 10 mm; f cm = 42,1N/mm²

B a l a n c e d L i f t M e t h o d

Deformations (ATENA):FForce F[MN]Deformations[mm]B a l a n c e d L i f t M e t h o d

B a l a n c e d L i f t M e t h o d

B a l a n c e d L i f t M e t h o d

) trazione• connettori metallici: ancoraggi diretti (manicotti filettati ogiunti saldati)• le piastre possono essere saldate alle armature anche perrisolvere il problema della lunghezza di ancoraggio• ancoraggi indiretti (trasferimento per aderenza)• tolleranze indispensabili nelle cavità predispostec) taglio• mediante: aderenza, attrito, ingranamento di giuntiorganizzati, chiavi di taglio, azione di spinotto• confinamento risulta spesso determinante: occorre evitare laseparazione degli elementi (introduzione di tiranti)• nell’azione di spinotto determinante la resistenza di entrambi imateriali, del diametro e di eventuali eccentricità

Pull-outα0 ≤ s ≤ s1τ= τ( )max⋅ s s1s1 < s ≤ s2τ = τ maxτ τ τ τ( )2=max−max−f⋅ ⎜ ⎟s3 − s2τ = τ f3⎛⎝s−s⎞⎠s2 < s ≤ s3s< s

EC2

Comportamento a taglio dell’ancoraggio in rocceby di Prisco,1992

Confronto trave elasticasu suolo elastico e analisinon lineareunidimensionale

nei terreni granulariè più complesso…

(c) Superposition:Has to consider:Mechanisms interrelate and influence each otherInteraction of tension and bending in the connectors (clamping force versus dowel action)Maximum contributions of different mechanisms occur at different slipsAd interaction of clampingforce and dowel action:N ⎛ α= ⎜1− +N pl⎝ 180M= ⎛ M pl⎝ ⎜ ⎞sin α 2⎠⎟3sin απ⎞⎟⎠dsA ANFließzoneFugeSchnitt A - A: M + NM-N Interaktion:N A f N1,00,90,80,70,60,50,40,30,20,10,00,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0N / NM / M plNäherungA 2A 1αMMyS1⎛= 1−⎜⎝σNplN plf yMds⋅ π= 2 ⋅ yPl = ⋅ f4dsM = 2 ⋅ A1 ⋅ yS1MPl= ⋅ f6⎞⎟⎠223yyN[sources: Randl, Wicke: Beton- und Stahlbetonbau 8 / 2000Randl, Wicke, Münger: Bauingenieur 4 / 2005]-> Simpliefied overall approach:τRdj= τ + µ ⋅ ρ ⋅ κ ⋅ f + σ + α ⋅ ρ ⋅ f ⋅ f ≤β⋅ν⋅ f14424431442443( ){cdyd nyd cdcdAdhesiv e bond /mechanical interlockfrictionDowelκ, α: interaction factors (connectors subject to bending and axial forces factors are interrelated)action

Tipi di connessione:• connessioni a cerniera (pinned connections):reazione verticale per compressione, azioneorizzontale per attrito e azione di bietta• connessioni che consentono trasferimento dimomento flettente: azione di trazione nellacoppia fornita da una sovrapposizione, da unabullonatura o da una saldatura• connessioni resistenti a momento torcente:come nel caso precedente, cambia il piano disollecitazione• connessioni di sospensione: trasferimento ditaglio, trazione e compressione.

Pinned connections

Precast construction in Norway - connections - the BSF system

Precast construction in Norway - connections - the BSF systemThe beam unit, basic force transfer mechanism.(The simplified truss model)

Precast construction in Norway - connections - the BSF systemUse‘foolproof’ details !

Moment-resistingconnectionsTotal length of foundation boltTotal length of base plate anchorageColumnreinforcementAnchorage ofbase plateFoundationboltsFoundationreinforcementColumn cross-section with reinforcementFoundation boltsAnchorage of base plateForce transferBase plate with all anchorages

DiaphragmreinforcementGroutedShear connectorJoint reinforcementMoment-resisting connectionsGroutingof void ifrequiredJoint reinforcement (notnecessarily in all joints)Diaphragm reinforc.(Lap splice 90xD)GroutedRubber bandSupport on beam or wallU-shapedstirrupsSupport on load carryingfacade panelSealing lidSupport on double edge beamRubber bandGroutedU-shaped stirrupDiaphragm reinforcementStirrup in joint as requiredDiaphragm reinforcementThreaded barSealing lidRubber bandGroutedRubber bandThreaded insertSupport on edge beam withtorsion connection to the beamSupport on edge beam withouttorsion connection to the beamConnection at the edge ofthe slab

GroutedaftererectionGrouted to correctlevel beforeerectionPocket foundationBolted column connectionGlued column connection

Support and suspension connectionsAnchorage railBent flat slabSteel plate. To be usedonly when sheartransfer is required.Steel wedgeSteel plates to be welded.Steel plates. To bewelded if required.Side connection - roofTo be welded when thesteel plate is not beingused.Beam not designed for torsionBeam designed for torsionSupport on ledge beams

Support on HSQ beamsReinforcement in the jointLarge loads may require reinforcement in open voids.Reinforcement in the jointRequires grouting of opened void.Good stiffening of the bottom flange.Large eccentricity, must be proppedduring erection.Good adjustment for the height.Large eccentricity. Propping willnormally be required.Large unbalance in the loads on the two sides will require stiffeners and bottomreinforcement. The cross-section can take a fair amount of torsion, but propping willnormally be required during erection.

Connections - hollow core slabs on steel beamsCross-sections sensitive to torsionChannel profile Angle profile Z-profileThe cross-sections are very sensitive to rotation.Significant propping will be required.The cross-sections are also sensitive to rotation after the anchorage andgrouting has been carried out.”K-ends” in the hollow core slabs (as shown on the support on thechannel profile) are very sensitive to the manufacturing process - andexpensive.Steel profiles that should not be used!!

Considerazioni progettuali strutturali• Non serve conoscere solo la forza massima, ma anche la curvacarico-spostamento ai fini della valutazione della deformabilità.• Occorre evitare sempre le connessioni fragili. La duttilità è ingenere sempre quantificata attraverso un fattore di duttilità.Nelle connessioni non è in genere necessario un comportamentoincrudente !• La progettazione deve tener conto delle situazioni transitorie!• Spesso la localizzazione nelle connessioni del danno prodotto daeventi eccezionali può essere considerato un buon criterioprogettuale, se la connessione è sostituibile con un modestointervento economico.

Disposizioni costruttiveOrdinanza 3274 (come pure Ord. 3431 e DM14/1/08)Vengono riconosciute tre possibili situazioni, a ciascuna delle qualicorrisponde un diverso criterio di dimensionamento:a) collegamenti posti al di fuori delle zone di previsto comportamentoinelastico, incapaci quindi di modificare le capacità dissipative dellastruttura rispetto al caso monolitico;b) collegamenti situati nelle zone critiche alle estremità delle travi e deipilastri, ma sovradimensionati per spostare la plasticizzazioneall’interno degli elementi connessic) collegamenti posti in zone critiche alle estremità di travi e di pilastrie dotati delle necessarie caratteristiche in termini di duttilità e diquantità di energia dissipabile.

Altre caratteristiche da considerare nel progetto• Isolamento rispetto al vapore e all’acqua. Tale isolamento nondeve essere compromesso dalla deformabilità indotta dai carichi,dalla temperatura, dalla viscosità e dal ritiro.• Isolamento termico (ponti freddi)• Isolamento acustico• Risposta dinamica alle vibrazioni• La durabilità è assicurata controllando fenomeni di fessurazione,spalling, corrosione dell’acciaio. La protezione dell’acciaio puòottenersi mediante uso di acciaio inox, zincatura, verniciaturaanti-ruggine, protezione epossidica. Attenzione ai fenomenigalvanici quando si usano materiali differenti ! (interposizioneeventuale di materiali isolanti).• Estetica• Possibilità di smontaggio dell’elemento o eventuale sostituzionedella connessione.

Resistenza al fuoco• Effetto del fuoco sulla capacità strutturale ditrasferimento delle forze. Occorre adottare schermidi protezione che garantiscano lo stesso livello disicurezza degli elementi connessi.• Molte connessioni non sono particolarmente sensibilial fuoco perchè annegate nel calcestruzzo o soggettea compressione (il neoprene brucia, ma normalmente ilsuo deterioramento non è causa di alcun collasso)• Funzione di separazione (o di schermo) degliambienti deve essere garantita dalle connessioni (es.:pareti verticali - solai) per evitare il passaggio difiamme e gas caldi.

Per garantire la semplicità occorre:• evitare la congestione di armature• evitare forme sporgenti nel getto che richiedono sediopportune nei casseri (se possibile limitarle alle superficilibere ! ) e comportano difficoltà di stoccaggio e trasporto• minimizzare inserti ancorati nel getto che risultanocostosi per la precisione del posizionamento e se possibiledisporli sulle superfici libere• usare forme e criteri standards (costi ed errori !)• usare dettagli costruttivi ripetitivi• usare connessioni che consentono alternative• evitare connessioni troppo pesanti che richiedanol’intervento di due uomini o di apparecchi meccanici disostegno.

Make sure the connection detailsare accessible after the element isin its final location.Erection - considerationsMake sure that there is room to getthe additional pieces in place.Provide for adjustment.This detail is adjustablein three directions.

Erection - considerationsMake sure the elements canbe erected at all:These two examples are taken fromincidents that have happened!Try always to avoid connectiondetails that requires horizontalmovement of the elements.

La connessione deve esserecaratterizzata da:• Facilità di messa in opera• Semplicità dello schemaprogettuale• Adattabilità alle tolleranzeesecutive• Generalità di impiego

La connessione, punto debole della struttura

La connessione è una struttura complessa da indagare• è una regione diffusiva deglisforzi 3D• coinvolge la resistenza atrazione del calcestruzzo e leleggi della meccanica dellafrattura• coinvolge compressionialtamente localizzate• la deformabilità coinvolge quasisempre deformazioni irreversibili

Progettazione mirataProcedura generale :1. Analisi dei possibili meccanismi di rottura e della lorosensitività alle variabili che ne influenzano ilcomportamento meccanico2. Scelta del meccanismo più opportuno sulla base dellaripetibilità, duttilità e facilità di calibrazione in modo daottenere la capacità portante desiderata del sistema.3. Proporzionamento del sistema, disaccoppiando imeccanismi di rottura (specialmente i più fragili!) permezzo di opportuni coefficienti di sicurezza (capacitydesign)F sd ≤ F rd (meccanismo di rottura scelto)

Anchorage railHammerheaded boltBent flat steelTrasmissione di forzein una connessioneEmbedded steel plate withwelded anchorage reinforcementRoof slabWallpanel

Trasferimento di forza nelle connessioniThe horizontal force H must be transferredthrough several links in the connection:1. From the concrete to the anchorage by bond andtension.2. From the anchorage reinforcement to the steel platevia the shop weld.3. From the steel plate to bent flat steel via the site weld.4. From the bent flat steel to the bolt via nut and washer.5. From the bolt to the anchorage rail via the head of thehammerheaded bolt6. From the anchorage rail to the concrete wall by bond,compression and tension.

Esempi di connessioni in strutture prefabbricatepilastro111Profilo acanalePannellodi facciataMensola disupporto332travemensolapilastroQualeancoraggio?

Inserti per calcestruzzoProve sperimentaliConnessione trave - pilastroTITOLO DELLA PRESENTAZIONE 63

Inserti per calcestruzzoSistemi di fissaggio, supporto e sollevamentoSistemi alternativi e relativi parametri ingegneristiciAnchor boltAnchor boltAderenzaDowel-actionTITOLO DELLA PRESENTAZIONE 64

I meccanismi fragili “a trazione”3 modi principali di fratturamodo I(opening mode)modo II(sliding mode)modo III(tearing mode)

TRAZIONE DIRETTA UNIASSIALEMATERIALE QUASI-FRAGILEpeakbreakpointzoomUU'0.01 0.02 0.03w 50 (mm)ingranamento

Rottura delconoN = 12.6 f h0.5 1.5uk ck efh ef= anchorage depth

0.10ε [%]Eligehausen & Sawade (1989)

20/34Meccanismi controllati dalla meccanica della frattura:Rottura delconoN = 12.6 f h0.5 1.5uk ck efh ef= anchorage depth0.5 0.5 1.5Rottura a taglio V uk= 1.4 φf ckc ⋅ ( 1 +s 3c)c = cover ; s = bolt spacingN f πφhPull-out = 0.3uk ck efSplittinglocaleNuk= 0.7fckA0A140fck

channel anchors: an uncoupling-design approachpreliminary31 125 31Φ 8-101850400125150125752502,52501840Specimen geometry22500800Net φ5 20/20600500502 St φ10final testsP = P(t,f yk ,Φ,h ef ,i, …)

channel anchors: an uncoupling-design approachPcone failure+40load [kN]3020SNAP-BACKFAILURE100f cm=42.7 MPaM pl+=747.5 NmM pl- =571.3 Nm0 10 20 30displacement [mm]

channel anchors: an uncoupling-design approachPABbolt failure4030ATEST AM + pl+ =747.5 NmM pl- =571.3 Nmf cm=40.9MpaAload [kN]2010BTEST BM pl+=1122.9 NmM pl-=857.2 Nmf cm=36.4 MpaB00 10 20 30displacement [mm]

channel anchors: an uncoupling-design approachPChipping failure: limit analysismax2c=2x + t 2⎡⎢⎣( 2 2c + b)c⋅f2y− 3τ2+8⋅f2y2⎤ t⎥ ⋅⎦ 4c2 ccτbbτ2ccc30chipping failure20load [kN]100M pl+=747.5 NmM pl-=571.3 Nm0 10 20 30displacement [mm]

channel anchors: an uncoupling-design approachdPcantilever failure: limit analysis

channel anchors: an uncoupling-design approachPbending failure: limit analysis30load [kN]20100TEST ATEST AM pl+=747.5 NmM pl-=571.3 Nmf cm=38.9MpaTEST BM pl+=1122.9 NmM pl-=857.2 Nmf cm=36.4 MpaTEST B0 10 20 30displacement [mm]

channel anchors: an uncoupling-design approach

Prova statica di trazione40Fessurazione dellaporzione di calcestruzzocircostante il canaleProfilo D1Plasticizzazione del canale conformazione di cerniere plastiche30Rottura di una delleali del canaleForza [kN]20Fase elastica senzaaderenza chimicaEspusione della porzione di calcestruzzofessurata dal blocco100Estrazione del bulloneFase elastica conaderenza chimica0 5 10 15 20 25 30Spostamento [mm]

Comparazione tra i risultati ottenuti dalle prove ditrazione statica e a strappoForza [kN]3530252015105Diagramma Forza-SpostamentoSi può dedurre che ilcomportamento dellaconnessione risulta pocosensibile alla velocità diimposizione dellospostamento.Comportamento inambito dinamico in lineacon il comportamentorilavato durante le provestatiche.00 5 10 15 20 25 30 35Spostamento [mm]Prova a strappo Prova statica

Confronto tra prove oligocicliche e di trazione staticaForza [kN]32302826242220181614121086420-2-4Diagramma Forza- SpostamentoComportamento inambito oligoclico in lineacon il comportamentorilavato durante le provestatiche0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30 32,5 35 37,5Spostamento [mm]

facade panel support: a progressive optimizationcolumnthreaded bushcorbelpanel

ResistenzalocaleacciaiosplittingA 0 /A 1 ≤ 320σfcdck=0.73AA0140fckσ u /fcsplittingclsσfcdck=12.5340fckspallingA 0 /A 1 ≥ 320spallingγ m

facade panel support system: test set-upcolumnsteel corbel25250110 140Rotation point(spherical bearing)1252129480 21460035850701008090353180 140 180500213 217 71250Lifting bush 4φ20 L=116 cm50025070110 1402501001877962Test A100Test Bstφ8/20

facade panel support system:aimed failure mechanismsFailure mechanisms of steel brackets2L400 2R1R3001Lload (kN)200100R cm =47.6 MPaf sym=324.6 MPa00 4 8 12 16displacement (mm)

facade panel support system:splitting due to bar anchor only without confinement1400R=Right sideL=Left sideR cm=57.9 MPaf sym =324.6 MPasym23004002R 2L 1LStraingauges3load (kN)2001000load (kN)30020010001RStrain gaugefailureStrain gauge0 400 800 1200 1600 2000Displacement (µm/m)0 4 8 12 16displacement (mm)

facade panel support system:splitting due to local pressuresFinite Element Elastic Analysistaking into account the thin steelbox inserted in the columnP = 390 kN; φ = 20 mm