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Università degli Studi di Napoli FEDERICO II DIST – Dipartimento di Ingegneria Strutturale CANDIDATO Pasquale Panico Matr. 520/507 RELATORI Ch.mo. Prof.

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1 Università degli Studi di Napoli FEDERICO II DIST – Dipartimento di Ingegneria Strutturale CANDIDATO Pasquale Panico Matr. 520/507 RELATORI Ch.mo. Prof. Ing. Federico M. Mazzolani Ch.mo. Prof. Ing. Raffaele Landolfo CORRELATORI Dr. Ing. Luigi Fiorino Dr. Arch. Ornella Iuorio Progettazione antisismica multiprestazionale di pareti in CFS e pannelli basata su analisi dinamiche inelastiche

2 MOTIVAZIONI Crescente utilizzo dei profili formati a freddo nelledilizia residenziale di medie e piccole dimensioni, soprattutto nei paesi del nord America, in Australia, in nord Europa e in Spagna Limitate applicazioni in zone sismiche Limitati strumenti di progettazione sismica

3 OBIETTIVI / PIANIFICAZIONE DELLA RICERCA Adozione/Calibrazione di un modello analitico-numerico Valutazione della risposta monotona Valutazione della risposta ciclica Analisi parametrica Estesa analisi dinamica non lineare incrementale (IDA) Creazione di abachi progettuali (nomogrammi) basati sulla IDA Selezioni di pareti significative grazie allutilizzo dei nomogrammi Sviluppo di matrici prestazionali Proposta di fattori di struttura da utilizzare in fase progettuale OBIETTIVIOBIETTIVI

4 La ricerca focalizza lattenzione sul sistema ad aste, in quanto è il più diffuso e rappresentativo di tipologie strutturali maggiormente industrializzabili come il sistema a pannelli ed il sistema a moduli HOUSING IN COLD-FORMED LINGHAM COURT, Londra - Housing design awards 2005

5 Pareti in profili di acciaio formati a freddo e pannelli HOUSING IN COLD-FORMED L H s I hold down ancoraggio a taglio montanti pannello i b guida superiore V guida inferiore fondazione connessioni esterne connessioni interne

6 VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA MONOTONA

7 Le pareti resistenti a taglio subiscono uno spostamento laterale dovuto alla deformabilità dei diversi componenti strutturali che la compongono (Fiorino L., Iuorio O., Landolfo R., Sheathed cold-formed steel housing: a seismic design procedure, Thin-Walled Structures, Elsevier Science, in stampa): = d 1 + d 2 + d 3 + d 4 dove H altezza della parete F la forza laterale G il modulo di elasticità tangenziale del materiale costituente il pannello b la larghezza del pannello t p lo spessore del pannello dove H altezza della parete F la forza laterale L larghezza della parete K a rigidezza assiale hold down dove H altezza della parete F la forza laterale L larghezza della parete E modulo di Young dellacciaio A area complessiva della sezione trasversale dei montanti di estremità Contributo allo spostamento laterale dovuto alla deformabilità delle connessioni. Si può schematizzare una curva di risposta lineare (soluzione analitica) oppure, in alternativa, una curva di risposta non lineare (soluzione numerica). Dato che il comportamento delle connessioni e quindi della parete è fortemente non lineare e d 4 rappresenta il maggiore contributo di deformazione, si è scelto di adottare una funzione non lineare F F d F d V V Risposta lineare d4d4 d1d1 d2d2 d3d3 Contributo allo spostamento laterale dovuto alla deformabilità a taglio del pannello, considerato come una lastra sottile caricata ai bordi Contributo allo spostamento laterale dovuto alla deformabilità flessionale dei montanti (studs), la parete viene considerata come una mensola avente sezione trasversale costituita dai montanti di estremità Contributo allo spostamento laterale dovuto alla deformabilità degli ancoraggi a trazione (hold down), la parete subisce una rotazione rigida Risposta non lineare Risposta lineare Risposta non lineare

8 VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA MONOTONA La simulazione della risposta monotona delle connessioni avviene utilizzando un legame di tipo Richard & Abbot (1975) valido fino al picco della resistenza e per il tratto degradante un legame lineare K 0 K h F 0 n d peak K degr rigidezza iniziale inclinazione della retta asintotica alla curva in (d peak, F peak ) intersezione della retta asintotica con lasse delle forze parametro di forma spostamento corrispondente alla massima resistenza inclinazione del ramo degradante

9 VALUTAZIONE DELA RISPOSTA MONOTONA Prove sulle connessioniProve sulle pareti FASE SPERIMENTALE Fiorino L., Della Corte G., Landolfo R., Experimental tests on typical screw connections for cold-formed steel housing, Engineering Structures, Elsevier Science, 2007 Landolfo R., Fiorino L., Della Corte G., Seismic behavior of sheathed cold-formed structures: physical tests, Journal of Structural Engineering., ASCE, 2006

10 CURVE DI RISPOSTA MONOTONA (ANALISI PARAMETRICA)

11 ANALISI PARAMETRICA Larghezza della parete L (1200, 2400, 9600 mm) Altezza della parete H (2400, 2700, 3000 mm) Spaziatura delle connessioni s (50, 75, 100, 150 mm) Materiali di rivestimento (GWB, OSB) x x 72 configurazioni di parete Per la valutazione dei vari componenti dello spostamento è stata effettuata unanalisi parametrica, con i parametri variabili: x L H s pannelli OSB pannelli GWB

12 ANALISI PARAMETRICA GWB+OSB – d,conn 53,2% d,taglio 14,2% d,HD 23,6% d,stud 9,1% GWB+OSB – d,conn 58,5% d,taglio 10,4% d,HD 24,4% d,stud 6,7% GWB+OSB – d,conn 57,2% d,taglio 7,7% d,HD 27,6% d,stud 7,4% GWB+OSB – d,conn 65,4% d,taglio 5,9% d,HD 23,1% d,stud 5,7% L H s V [ kN/m ]

13 ANALISI PARAMETRICA Parametri curve di risposta monotona per L 1200 mm parametri indipendenti

14 VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA CICLICA

15 MODELLO ADOTTATO RAMO DI CARICO Non lineare (funzione Richard & Abbot) K 0, K h, n, V 0 curva limite superiore K 0p, K hp, n p, V 0p curva limite inferiore t 1, t 2, D F parametri ciclici Lineare decrecente K degr inclinazione peak spostamento corrispondente alla sua attivazione RAMO DI SCARICO Lineare con inclinazione K 0 fino alla retta passante per lorigine parallela alla retta di incrudimento K 0 rigidezza iniziale VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA CICLICA peak k degr V Il degrado di resistenza è stato valutato attraverso il parametro D F che riduce il valore di V 0, secondo la metodologia proposta da Park e Ang (Park, 1989): V 0, rid = V 0 (1-D F ) t = t (t 1, t 2, λ)

16 VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA CICLICA t 1, t 2, λ, D F sono parametri ciclici che sono stati definiti in maniera tale che le curve e le energie dissipate della prova ciclica sperimentale e della prova ciclica simulata fossero il più possibile simili tra loro. Tali parametri sono stati ritenuti validi per tutte le configurazioni di parete risposta sperimentale risposta numerica MODELLO vs COMPORTAMENTO REALE

17 Parametri curve limiti superiori (modifica curve monotone) per L 1200 mm VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA CICLICA m m m m parametri indipendenti Parametri ciclici Valori assunti t1t1 12 t2t2 0,8 λ0,9 DFDF 0,1

18 ANALISI PARAMETRICA CICLICA

19 CASO STUDIO Edificio con struttura ad aste in cold-formed e pannelli, di un piano con e senza sottotetto con due diverse piante: 2x2 mod e 3x3 mod ANALISI PARAMETRICA CICLICA Ipotizzando diversi valori per la percentuale dei vuoti (0,3 ; 0,6) e per L (3 ÷ 7 m) si è proceduto con lanalisi dei carichi individuando valori dei pesi sismici pari a 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 kN/m mod mod mod mod carichi permanenti al loro valore caratteristico coefficiente di combinazione che fornisce il valore quasi-permanente dellazione variabile Q j valore caratteristico delle azioni variabili posto pari a 2 kN/mq dove G ki ψ 2j Q kj mod mod mod

20 ANALISI PARAMETRICA CICLICA m m m Parametri variabili: Larghezza della parete L : 1200, 2400, 9600 mm Altezza della parete H : 2400, 2700, 3000 mm Spaziatura delle connessioni s : 50, 75, 100, 150 mm Materiali di rivestimento: GWB, OSB Peso sismico M : 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 kN/m Categorie di suolo: A, B, C Accelerogrammi: 7 per ogni suolo Moltiplicatori PGA : 50 variabili da 0,01g a 3,00g x x x x Analisi effettuate Modello numerico adottato per schematizzare la parete come un sistema ad un grado di libertà. Il comportamento isteretico a carichi laterali è descritto da un elemento Richard & Abbot

21 SELEZIONE DELLINPUT SISMICO (O.P.C.M del 03/05/2005) RELUIS (Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica) Iervolino I., Maddaloni., Cosenza. (2006) Accelerogrammi naturali per lanalisi delle strutture secondo lO.P.C.M registrazioni, 7 per ciascuna delle categorie di suolo A, B, e C SUOLO A B C Le registrazioni accelerometriche sono relative ad eventi verificatisi in diverse regioni europee e mediterranee e sono caratterizzate da una magnitudo medio-alta variabile tra 5.8 e 7.6 ANALISI PARAMETRICA CICLICA

22 ANALISI DINAMICA INCREMENTALE (IDA) Registrazione B XA ANALISI PARAMETRICA CICLICA PGA 0.10 g Risposta V- parete max S ae,0.10g S ae,0.95g PGA 0.60 g PGA 0.95 g max

23 ANALISI PARAMETRICA CICLICA CURVE IDA per L 1200 mm GWB+GWB H 2400 mm s 50 mm M 10 kN/m (1 di 504)

24 METODOLOGIA DI PROGETTO

25 BILINEARE EQUIVALENTE Si ottiene a partire dalla curva di risposta monotona, imponendo il passaggio della curva per il punto ( V el, el ), il valore V y si trova imponendo che le aree sottese alle due curve siano uguali. (Branston et al., 2006) el STATI LIMITE Ai fini del progetto e/o verifica si definiscono i seguenti stati limite: y peak ult 0 V V el V y V ult V peak Stato limite elastico corrispondente al raggiungimento del valore della forza V el pari al 40 % della massima resistenza e del relativo spostamento el Stato limite di snervamento corrispondente al raggiungimento del valore della resistenza al limite elastico V y considerando la curva bilineare equivalente Stato limite corrispondente al raggiungimento del massimo valore della resistenza del sistema e relativo spostamento peak Stato limite ultimo corrispondente al raggiungimento del valore massimo dello spostamento ult e della resistenza pari all80% di V peak curva bilineare equivalente curva di risposta monotona

26 METODOLOGIA DI PROGETTO APPROCCIO ALLA PROGETTAZIONE Parametri fissati Larghezza parete ( L ) Altezza parete ( H ) Interasse montanti ( I ) Tipo, spessore, orientamento del pannello Tipo, spaziatura interna ( i ) e distanza dal bordo delle connessioni Tipo di acciaio e dimensioni montanti e travi Tipo di ancoraggio hold down Tipo di ancoraggio a taglio Parametro variabile Spaziatura delle connessioni sul bordo esterno s FASI DELLA PROGETTAZIONE 1. Definizione parametri geometrici della parete 2. Scelta spaziatura delle connessioni sul bordo esterno s 3. Verifica scelta della spaziatura effettuata L H s I hold down ancoraggio a taglio montanti pannello i pannelli OSBpannelli GWB

27 METODOLOGIA DI PROGETTO Peso sismico M Tipo di suolo (accelerogramma) Spaziatura s i Curva di capacità y, peak, ult Curva di domanda Capacità y, peak, ult Domanda Probabilità di eccedenza 50%/50, 10%/50, 2%/50 Zona sismica (intensità a g ) C > D FINE SI NO s i+1 D nomogramma diagramma di flusso L 1200 mm, GWB+OSB, H 2400 mm, SUOLO A Nel singolo nomogramma sono fissati la categoria di suolo, la larghezza della parete, laltezza della parete ed il tipo di panello utilizzato, il peso sismico e la spaziatura variano 0,14 [mm] V [KN/m]

28 MATRICI PRESTAZIONALI

29 In accordo con lO.P.C.M in fase di progetto e/o verifica deve risultare che la domanda sismica sia inferiore alla capacità sismica. Le curve IDA e le curve monotone possono essere considerate rispettivamente curve di domanda e curve di capacità. E possibile associare ad ogni valore dello spostamento y, peak, ult (capacità) un livello prestazionale (stato limite) a cui corrisponde una certa probabilità di eccedenza dellevento sismico. MATRICI PRESTAZIONALI Tale associazione è frutto del fatto che, al diminuire della probabilità di eccedenza, ossia allaumentare di a g (un dato evento sismico è meno probabile che si verifichi allaumentare della sua intensità), si deve far corrispondere un livello prestazionale che la struttura in cold-formed deve garantire, tanto gravoso quanto meno probabile sia che venga richiesto nellarco della vita nominale delledificio Spostamento (capacità) Livello prestazionale Probabilità di eccedenza Periodo di ritorno Zona 1 Zona 2 Zona 3 y Immediate Occupancy 50%/50 anni720,06g0,10g0,14g peak Life Safety 10%/50 anni4750,15g0,25g0,35g ult Collapse Prevention 2%/50 anni24750,23g0,38g0,53g

30 MATRICI PRESTAZIONALI Si è operata una scelta tra le 504 configurazioni di parete investigate attraverso la definizione di coefficienti di prestazione p (IO) = y p (LS) = peak p (CP) = ult y peak ult p (IO) p (LS) p (CP) dove spostamento per li-esimo livello prestazionale (domanda) spostamento per il livello prestazionale IO (capacità) spostamento per il livello prestazionale LS (capacità) spostamento per il livello prestazionale CP (capacità) coefficiente di prestazione per IO coefficiente di prestazione per LS coefficiente di prestazione per CP

31 MATRICI PRESTAZIONALI GWB + GWBGWB + OSB 57%61% 1° CASO p (IO), p (LS), p (CP) : p [ 0,5 ; 1 ] Sono state selezionate tutte le configurazioni di parete in cui 0,5 < p < 1 per tutti e tre i livelli prestazionali in quanto ben dimensionate Per p < 0,5 le pareti sono sovradimensionate 2° CASO p (IO), p (LS), p (CP) : p 1 ; p (IO), p (LS), p (CP) : p [ 0,7 ; 1 ] GWB + GWBGWB + OSB 78%75% Come prima operazione sono state scartate le configurazioni di parete in cui p > 1 in quanto sottodimensionate Sono state selezionate tutte le configurazioni di parete in cui 0,7 < p < 1 per almeno un livello prestazionale ammettendo per gli altri due un sovradimensionamento Per p < 0,7 le pareti sono sovradimensionate

32 MATRICI PRESTAZIONALI 1° CASO - Pareti GWB+GWB1° CASO - Pareti GWB+OSB2° CASO - Pareti GWB+GWB2° CASO - Pareti GWB+OSB

33 PROPOSTA DI FATTORI DI STRUTTURA

34 Il fattore di struttura rappresenta un fattore di riduzione che consente di ridurre le azioni di progetto ipotizzando per semplicità un comportamento di tipo elastico q 1 = Sa peak Sa y q 2 = Sa ult Sa peak (sovraresistenza) (duttilità) q 3 = q 1 x q 2 = x = Sa ult Sa y Sa peak Sa y Sa ult Sa peak (sovraresistenza e duttilità) Livello Prestazionale Fattore di struttura IO1 LSq1q1 CPq3q3

35 PROPOSTA DI FATTORI DI STRUTTURA Dalle analisi, prese in considerazione solo le configurazioni di parete significative, si ottiene: Coefficiente di prestazioneTipo di pareteq1q1 q2q2 q3q3 GWB+GWB 2,41,43,4 0,5 < p < 1GWB + OSB 2,51,23,1 GWB+GWB GWB+OSB 2,51,33,3 GWB+GWB 2,21,32,9 0,7 < p < 1GWB+OSB 2,31,22,8 GWB+GWB GWB+OSB 2,31,32,9 23

36 CONCLUSIONI Fattori di struttura Le pareti in CFS rivelano una discreta capacità sismica offrendo adeguati margini di sicurezza, per cui risulta possibile progettare ipotizzando un comportamento elastico sotto eventi sismici di progetto con lutilizzo di un fattore di struttura q = 1 per il livello prestastionale di immediate occupancy (probabilità di eccedenza del 50%/50 anni), q 1 = 2 per il livello prestazionale di life safety (probabilità di eccedenza del 10%/50 anni) e q 3 = 3 per il livello prestazionale di collapse prevention (probabilità di eccedenza del 2%/50 anni) FUTURI SVILUPPI Confronto risultati ottenuti con quelli derivanti da modelli di risposta ciclica semplificati Estensione dellanalisi dinamica non lineare parametrica a pareti di diverso materiale Proposta di criteri progettuali per pareti in CFS e pannelli per carichi verticali Strumenti utili alla progettazione Possibilità di progettare rapidamente tramite luso di nomogrammi la spaziatura delle connessioni lungo il bordo utilizzando unanalisi dinamica non lineare incrementale

37 GRAZIE PER LATTENZIONE!!!


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