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Il Conceptual Design degli edifici in cemento armato in zona sismica Il Conceptual Design degli edifici in cemento armato in zona sismica Francesco Biasioli.

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Presentazione sul tema: "Il Conceptual Design degli edifici in cemento armato in zona sismica Il Conceptual Design degli edifici in cemento armato in zona sismica Francesco Biasioli."— Transcript della presentazione:

1 Il Conceptual Design degli edifici in cemento armato in zona sismica Il Conceptual Design degli edifici in cemento armato in zona sismica Francesco Biasioli DIST R - Dip. di Ingegneria Strutturale e Geotecnica Politecnico di Torino

2 Quando il tempo è denaro, sembra morale risparmiare il tempo. Specialmente il proprio.Quando il tempo è denaro, sembra morale risparmiare il tempo. Specialmente il proprio. Theodor W. Adorno "Minima moralia Theodor W. Adorno "Minima moralia

3 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Fare e disfare è sempre un lavorare Pierina Borghetti, mia nonna ……si parva licet componere magnis….

4 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 E la fase che precede il progetto: 1) scelte preliminari architettoniche / strutturali economiche / sociali 2) valutazione delle alternative Il Conceptual Design di un progetto strutturale riguarda limpostazione strutturale complessiva il predimensionamento della geometria dei principali elementi CONCEPTUAL DESIGN

5 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 CD assente?

6 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Leonardo, 1490 Luomo di Vitruvio Vetruvio architetto mette nella sua opera d'architettura che le misure dell'omo sono dalla natura distribuite in questo modo. Il centro del corpo umano è per natura lombelico; infatti, se si sdraia un uomo sul dorso, mani e piedi allargati, e si punta un compasso sul suo ombelico, si toccherà tangenzialmente, descrivendo un cerchio, lestremità delle dita delle sue mani e dei suoi piedi". Un disegno vale 50 parole E il disegno il linguaggio dei tecnici. Il CONCEPTUAL DESIGN strutturale va basato su disegno e calcolo

7 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Dal CAD Computer Aided Design al CACD Computer Aided Conceptual Design Conceptual Design delle strutture di un edificio in c.a.

8 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Quadro di riferimento: Norme Tecniche e Eurocodici Obiettivo: strutture resistenti, durevoli ed economiche sia come realizzazione che come manutenzione Carichi verticali dal progetto architettonico normalmente disponibile su computer Azioni orizzontali (vento, azioni sismiche) : da norma Conceptual Design delle strutture di un edificio in c.a.

9 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 I carichi verticali sono certi, le azioni sismiche sono probabili Per quanto possibile: - separare i percorsi delle azioni verticali e le azioni sismiche - separare i percorsi delle azioni verticali e le azioni sismiche - prevedendo due percorsi, dunque due sistemi resistenti distinti, - ricordando che quando il percorso aumenta, aumentano le sollecitazioni!. Conceptual Design delle strutture di un edificio in c.a.

10 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Conceptual Design delle strutture di un edificio in c.a.

11 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 SCELTE PRELIMINARI SCELTE PRELIMINARI 1. Analisi critica della geometria complessiva 2. Materiali e tipologia strutturale AZIONI VERTICALI AZIONI VERTICALI 3.Analisi carichi verticali: pesi propri G 1, permanenti portati G 2, variabili Q k 4.Predimensionamento solai (SLE) 5.Aree di carico di competenza di travi, pilastri, setti e nuclei (CACD) 6.Predimensionamento degli elementi verticali (SLU) AZIONI SISMICHE AZIONI SISMICHE 7.Stima del periodo T 1 degli elementi di controvento e verifica di T 1 8.Predimensionamento degli elementi di controvento e verifica di T 1 9.Distribuzione planimetrica degli elementi di controvento AZIONI VERTICALI AZIONI VERTICALI delle travi (SLU) 10. Predimensionamento delle travi (SLU) I 10 passi del progetto preliminare

12 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Obiettivo: comportamento della struttura sotto sismaprevedibile e comprensibile Obiettivo: comportamento della struttura sotto sismaprevedibile e comprensibile Forma in pianta regolare e compatta Forma in pianta regolare e compatta Simmetria di masse e rigidezze Simmetria di masse e rigidezze Rigidezza e resistenza bidirezionale Rigidezza e resistenza bidirezionale Piano rigido Piano rigido Elevata rigidezza torsionale per centrifugazione degli elementi resistenti Elevata rigidezza torsionale per centrifugazione degli elementi resistenti Analisi critica della geometria: concetti di base

13 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 REGOLARITA in pianta e in altezza Forma in pianta regolare e compatta (L/B < 4) Forma in pianta regolare e compatta (L/B < 4) Simmetria di masse e rigidezze Simmetria di masse e rigidezze Sporti limitati (almeno una dimensione < 25% dela dimensione totale nella stessa direzione) Sporti limitati (almeno una dimensione < 25% dela dimensione totale nella stessa direzione) Eccenticità CR CM limitate Eccenticità CR CM limitate Rigidezza torsionale minima funzione di l s Rigidezza torsionale minima funzione di l s Piano infinitamente rigido (soletta h = ) Piano infinitamente rigido (soletta h = ) Analisi critica della geometria: concetti di base

14 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Meccanismi di collasso – piano debole 2003 BOUMERDES

15 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Meccanismi di collasso – piano debole Terremoto del LAquila – 6 aprile 2009

16 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 IO SI LHCTX NO IO SI LHCTX NO VERIFICHE PRELIMINARI divisione in elementi semplici mediante giunti strutturali di ampiezza adeguata

17 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 IMBASTIRE IL PROGETTO : GIUNTI STRUTTURALI

18 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 CM BARICENTRO DELLE MASSE CM RAGGIO POLARE DELLE MASSE l S RISULTANTE DEI CARICHI SUI PILASTRI L, B: DIMENSIONI IN PIANTA NEL CASO DI IMPALCATO RETTANGOLARE CARICATO UNIFORMEMENTE

19 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 REGOLARITA IN PIANTA E BARICENTRO DELLE RIGIDEZZE IL MODELLO DI PIANO RIGIDO La rigidezza alla traslazione

20 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Modello di riferimento Solo primo impalcato libero di muoversi, parte soprastante considerata come corpo rigido Edificio regolare in elevazione Elementi verticali tutti incastrati al piede Setti, nuclei: deformata a mensola

21 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Rigidezza K = forza F per uno spostamento = 1 Modello di Muto con deformabilità a taglio Pilastri vincolati alle travi

22 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 BARICENTRO DELLE RIGIDEZZE K T = k yi (x i - x CR ) 2 + k xi (y i - y CR ) 2 RIGIDEZZA TORSIONALE RIGIDEZZE TOTALI

23 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Raggi torsionali Raggi torsionali REGOLARITA IN PIANTA Distanza tra CR e CM Struttura regolare in pianta: il punto di applicazione delle forze – il (bari)centro di massa CM – è vicino al punto di reazione del sistema – il (bari)centro di rigidezza CR in modo che: e 0X / r x 0,30 e 0y / r y 0,30 La struttura si considera torsionalmente rigida se: r x/y > 0,80 l s

24 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 VARIAZIONE DELLE RIGIDEZZE INTORNO A CR ELLISSE DELLE RIGIDEZZE

25 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Se r x = r y K x = K y T 1x = T 1y struttura insensibile alla direzione del sisma (o del vento) che risente poco degli effetti torsionali I modi di vibrazione sono disaccoppiati, il moto torsionale ha frequenza nettamente più alta dei moti traslazionali Le strutture con ellisse delle rigidezze con forma che tende al cerchio e con CR e CM nel nucleo interno sono regolari in pianta poiché simmetriche in relazione alla distribuzione delle rigidezze. Struttura torsionalmente non rigida: q = 2,0 anziché 3,6 (+180%) Regolarità in pianta e fattore di struttura

26 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 I dati del progetto: un architettonico in ambiente AutoCad

27 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 I dati del progetto: un architettonico in ambiente AutoCad

28 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Verifiche preliminari: forma compatta L/B = 36,1/13,7 < 4

29 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 I percorsi delle forze orizzontali …… il piano è rigido? Guardare le piante!

30 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 VERIFICA PRELIMINARE CON ELLISSE DELLE RIGIDEZZE E ANALISI DELLE INTERFERENZE REGOLARITA E DISPOSIZIONE ELEMENTI RESISTENTI

31 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Dallarchitettonico: filo carpenteria e fili fissi pilastri Le dimensioni pilastri non sono importanti Servono loro posizione e fili fissi

32 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Imbastire la struttura: solai Individuazione campi e orditura solai Dimensioni travi non importanti

33 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 SCELTE PRELIMINARI SCELTE PRELIMINARI 1. Analisi critica della geometria complessiva 2. Materiali e tipologia strutturale AZIONI VERTICALI AZIONI VERTICALI 3.Analisi carichi verticali: pesi propri G 1, permanenti portati G 2, variabili Q k 4.Predimensionamento solai (SLE) 5.Aree di carico di competenza di travi, pilastri, setti e nuclei (CACD) 6.Predimensionamento degli elementi verticali (SLU) AZIONI SISMICHE AZIONI SISMICHE 7.Stima del periodo T 1 degli elementi di controvento e verifica di T 1 8.Predimensionamento degli elementi di controvento e verifica di T 1 9.Distribuzione planimetrica degli elementi di controvento AZIONI VERTICALI AZIONI VERTICALI delle travi (SLU) 10. Predimensionamento delle travi (SLU) I 10 passi del progetto preliminare

34 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Quale è la vita nominale ? l italiano Sudtirol … lefficiente Lombardia…

35 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo il sabaudo Piemonte La vita nominale delle strutture

36 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Classi di esposizione ambientale

37 Classi di esposizione ambientale, copriferrio, scelta del calcestruzzo

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39 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 PRESCRIVERE LA DURABILITA

40 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Comunicare con il disegno la prescrizione dei materiali

41 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 SCELTE PRELIMINARI SCELTE PRELIMINARI 1. Analisi critica della geometria complessiva 2. Materiali e tipologia strutturale AZIONI VERTICALI AZIONI VERTICALI 3.Analisi carichi verticali: pesi propri G 1, permanenti portati G 2, variabili Q k 4.Predimensionamento solai (SLE) 5.Aree di carico di competenza di travi, pilastri, setti e nuclei (CACD) 6.Predimensionamento degli elementi verticali (SLU) AZIONI SISMICHE AZIONI SISMICHE 7.Stima del periodo T 1 degli elementi di controvento e verifica di T 1 8.Predimensionamento degli elementi di controvento e verifica di T 1 9.Distribuzione planimetrica degli elementi di controvento AZIONI VERTICALI AZIONI VERTICALI delle travi (SLU) 10. Predimensionamento delle travi (SLU) I 10 passi del progetto preliminare

42 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 EC2: f = 1/500 l eff l eff = lunghezza efficace (asse- asse travi) di una nervatura Lunghezza normalizzata di ogni campo di solaio k normalizza i diversi schemi statici a uno schema di riferimento: la trave semplicemente appoggiata, per cui (convenzionalmente) è k = 1,0 solai Dimensionamento altezza solai

43 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Il coefficiente k Per geometria e carico q assegnati, una mensola di 2 m ha la stessa inflessione massima di una trave appoggiata di (2/0,57) = 3,52 m

44 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Per una zona di solaio - con tipologia strutturale univoca (a T, a piastra ecc.) - caricata con gli identici carichi G 1 G 2 e Q k - che si vuole abbia lo stesso spessore (altezza h) lALTEZZA dipende dalla geometria del campo per cui è massima la lunghezza normalizzata l n solai Altezza solai

45 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Quanto vale laltezza h? E corretto assumere h = l n /25 sempre e comunque? Cosa fare se…. i carichi G 1 G 2 o Q k oppure le tipologie strutturali (sezione dunque J) variano da zona a zona di solaio? solai Altezza solai

46 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Verifica a deformazione solai

47 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Carichi G: stratigrafie di muri e solai

48 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 solai da rossi…… I solai da rossi…… h = 20 cm

49 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 verdi Aumentando h diventano verdi h = 23 cm

50 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 SPESSORE DEI SOLAI E AREE DI CARICO

51 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Nota lintensità di tutti i carichi verticali: 1) quali sono le aree di competenza delle travi, dunque i carichi sulle travi? 2) quali le aree di competenza di pilastri, setti e nuclei, dunque i carichi sugli elementi verticali? Attribuzione dei carichi a travi e pilastri

52 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 In automatco i punti di taglio nullo…

53 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 …individuano le aree di competenza delle travi….

54 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 e le aree di competenza degli elementi verticali

55 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 SEZIONI DEGLI ELEMENTI VERTICALI

56 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Predimensionamento pilastri - SLU

57 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Gli elementi verticali: da rosso/verdi… d > 0,90

58 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Inerzia minima degli elementi di controvento per carichi verticali Verificare se gli elementi disponibili (vani ascensore) sono sufficienti per controventare il sistema (a nodi fissi) Cosa passa il convento

59 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 PROGETTO PER CARICHI VERTICALI COMPLETATO, MA… …in principio non cerano le Norme Tecniche. ….In principio cera Aristotele, e i corpi in quiete tendevano a rimanere in quiete, e i corpi in moto tendevano a raggiungere la quiete, e presto tutto era in quiete. E Dio vide che ciò era noioso e decise di dare una scossa…. da A. Parducci – Verso unarchitettura antisismica da A. Parducci – Verso unarchitettura antisismica

60 Il giunco e la quercia (Xi Liu, VI sec.) Una tempesta mise alla prova le due piante, e si arrivò alla più inaspettata delle conclusioni. Il più debole, piegandosi ad ogni sferzata del vento, alla fine ne uscì vincitore, stagliandosi ancora integro nel limpido mattino dopo l'acquazzone. Fu lui ad assistere alla dipartita della grande quercia che, ostinandosi a contrastare il prepotente vento, finì per spezzarsi. La quercia, l'albero più forte e rigoglioso del bosco, con radici profonde ma che si staglia più in alto di tutti verso le stelle. Il giunco, più vicino alla terra, esile, fragile, appena visibile vicino al grande albero.

61 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 semplicità strutturale, uniformità, simmetria, ridondanza, rigidezza di piano, rigidezze flessionale e torsionale, deformabilità limitata, duttilità degli elementi, elementi primari e secondari, movimenti torsionali limitati. Conceptual Design delle strutture di un edificio in c.a.

62 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Resistenza e duttilità

63 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 SCELTE PRELIMINARI SCELTE PRELIMINARI 1. Analisi critica della geometria complessiva 2. Materiali e tipologia strutturale AZIONI VERTICALI AZIONI VERTICALI 3.Analisi carichi verticali: pesi propri G 1, permanenti portati G 2, variabili Q k 4.Predimensionamento solai (SLE) 5.Aree di carico di competenza di travi, pilastri, setti e nuclei (CACD) 6.Predimensionamento degli elementi verticali (SLU) AZIONI SISMICHE AZIONI SISMICHE 7.Stima del periodo T 1 degli elementi di controvento e verifica di T 1 8.Predimensionamento degli elementi di controvento e verifica di T 1 9.Distribuzione planimetrica degli elementi di controvento AZIONI VERTICALI AZIONI VERTICALI delle travi (SLU) 10. Predimensionamento delle travi (SLU) I 10 passi del progetto preliminare

64 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 I PASSI SUCCESSIVI: STIMA DELLAZIONE SISMICA PERIODO : FORMULA DI RAYLEIGH PERIODO : FORMULA DI RAYLEIGH ACCELERAZION: SPETTRO DI RISPOSTA

65 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Suolo tipo C, Suolo tipo C, LxBxH = (36x12x10) m LxBxH = (36x12x10) m T 1 = 0,075 H 3/4 = 0, /4 = 0,42 s ed. a telai in c.a T 1 = 0,075 H 3/4 = 0, /4 = 0,42 s ed. a telai in c.a T 1 = 0,05 H 3/4 = 0,26 s ed con pareti in c.a. T 1 = 0,05 H 3/4 = 0,26 s ed con pareti in c.a. Per 0,15 < T 1 < 0,46 s accelerazione costante = 0,14 g Per 0,15 < T 1 < 0,46 s accelerazione costante = 0,14 g Per T 1 = 1,80 s accelerazione = 0,036 g (1/4 di 0,14)

66 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Edifici normali Edifici normali con strutture di calcestruzzo o edifici non verificati con regole semplificate 1.Periodo proprio T 1 (Rayleigh)

67 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Calcolare il periodo!

68 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011

69 I PASSI SUCCESSIVI: PREDIMENSIONAMENTO (A TAGLIO) DEGLI ELEMENTI DI CONTROVENTO

70 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Verifiche elementi strutturali 3) Aree a taglio 3. Aree a taglio degli elementi verticali ridotte per tener conto delle eccentricità x rispetto a CM: A ti x,y = A t /(1 + 0,6 x/L e ) A ti x,y 3.3 Area a taglio totale nelle direzioni x,y A t x,y = A ti x,y 3.4 Area totale minima a taglio A t x,y 1,5 H E / Da NT progetto pareti in CDA: Da NT progetto pareti in CDA: = 0,20 f cd = 0,20 x 0,47R ck = 0,20 f cd = 0,20 x 0,47R ck 0,1 R ck

71 Elementi PRIMARI e SECONDARI

72 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Elementi PRIMARI e SECONDARI

73 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Oopps! mancano aree a taglio in direzione x…..

74 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 I PASSI SUCCESSIVI: GEOMETRIA DELLE TRAVI

75 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Analisi elastica lineare Rapporti delle sollecitazioni nei diversi stati limite

76 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Progetto delle sezioni delle travi: i cinque vincoli 1. Geometria b max = l c + h s 3. Tensioni 4. Sollecitazioni M Rk M Ek,QP, M Ek,CA M Rd M Ed 2. Inflessione f max a t =

77 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Progetto delle sezioni delle travi: i cinque vincoli 4. Sollecitazioni In base al momento massimo di campata

78 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 I PASSI SUCCESSIVI: NODI DI ARMATURA

79 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Per dettagli e volumi:

80 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Per dettagli e volumi:

81 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Il meglio è nemico del bene good enough, abbastanza bene, bene così è latteggiamento di chi vuole arrivare in fondo presto e bene.

82 F. Biasioli – Seminario Auto_C.A. - Forlì, Marzo 2011 Grazie per lattenzione! Francesco Biasioli


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