SISTEMI STRUTTURALI STRUTTURA PORTANTE Prof. Ing. Roberto Castelluccio STRUTTURA PORTANTE Insieme degli elementi costruttivi destinati a portare carichi e a resistere alle azioni esterne non dipendenti dalla forza di gravità. Lo sviluppo delle tecnologie costruttive ha prodotto in parallelo la tendenza ad una progressiva riduzione del peso delle strutture e quindi ad un miglioramento del rendimento statico. L’organizzazione spaziale degli elementi strutturali si fonda su tre principi elementari: il trilite, l’arco, e la fune. Trilite sfrutta la debole resistenza a trazione del materiale lapideo per la realizzazione di un portale costituito da due piedritti ed un architrave con il limite di poter coprire solo piccole luci Arco si avvale della resistenza a compressione delle pietre per voltare l’arco e coprire luci più grandi Fune si fonda sulla resistenza a trazione di alcuni elementi di base (le funi in acciaio) C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

SISTEMI STRUTTURALI TIPOLOGIE STRUTTURALI Prof. Ing. Roberto Castelluccio TIPOLOGIE STRUTTURALI Il problema tecnico strutturale è funzione del corretto e sapiente uso del materiale: ogni struttura avrà un determinato linguaggio e particolare impiego a seconda del materiale impiegato. «…Ognuna delle soluzioni possibili avrà una precisa espressività architettonica e sue caratteristiche tecniche costruttive ed economiche, in altre parole avrà pregi e deficienze, ed è precisamente nella serena valutazione comparativa di tutti questi elementi e nella scelta finale della soluzione che presenta più pregi che si riassume e concentra la difficile arte del progettare» Pier Luigi Nervi - Nuove Strutture Le diverse tipologie strutturali sono caratterizzate da specifici elementi che hanno il compito di trasferire i carichi dall’organismo edilizio al terreno di fondazione. In funzione del comportamento strutturale, ossia della modalità di trasferimento del carico al terreno di fondazione, si distinguono: Edifici a pareti portanti costituiti da elementi verticali bidimensionali (pareti) opportunamente collegati tra loro Edifici intelaiati il trasferimento dei carichi avviene attraverso elementi monodimensionali con una dimensione prevalente rispetto alle altre (travi e pilastri) Edifici controventati sfruttano la resistenza a trazione dell’acciaio per assorbire forze orizzontali (sisma e vento) Muratura portante – Setti o pareti in c.a.o. o c.a.p. – Legno Calcestruzzo armato in opera o prefabbricato – acciaio – Legno Acciaio – Legno C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI A PARETI PORTANTI Prof. Ing. Roberto Castelluccio L’edificio in muratura è un assemblaggio tridimensionale di muri e solai caratterizzati da un funzionamento scatolare che conferisce l’opportuna stabilità e robustezza all’insieme. Un edificio in muratura è quindi una struttura complessa in cui tutti gli elementi cooperano nel resistere ai carichi applicati La resistenza dei muri a forze agenti nel piano del muro è molto maggiore rispetto a quella nel caso di forze agenti ortogonalmente al piano, e quindi è maggiore la loro efficacia come elementi di controventamento. Sistema scatolare Un criterio frequentemente seguito è quello di considerare l’edificio come una serie di elementi “indipendenti” opportunamente assemblati: muri che svolgono una funzione portante e/o di controventamento solai sufficientemente rigidi e resistenti per ripartire le azioni tra i muri di controventamento (azione di diaframma) C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI A PARETI PORTANTI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Funzionamento di una parete muraria Le pareti resistono all’azione sismica sviluppando un sistema di isostatiche di compressione che congiungono i punti di applicazione delle forze sismiche orizzontali con i vincoli a terra. Al sistema di isostatiche viene fatto corrispondere un sistema resistente di puntoni obliqui in muratura. L’equilibrio delle componenti verticali delle forze dei puntoni è in generale assicurato dal peso proprio della parte di edificio sovrastante e dalla muratura compressa sottostante. L’equilibrio delle componenti orizzontali dell’azione sismica è invece assicurato dalla reazione del terreno e dalla reazione di appositi tiranti (catene, cordoli) disposti ai piani. I muri portanti fungono da controvento in direzione parallela all’azione sismica, in modo tanto più efficace quanto più sono lunghi in pianta. La stabilità alle azioni orizzontali richiede muri disposti secondo due direzioni ortogonali La capacità dei muri di resistere alle azioni orizzontali è favorevolmente influenzata dalla presenza di forze verticali stabilizzanti C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI A PARETI PORTANTI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Situazioni sfavorevoli Solaio deformabile Pareti collegate al solaio e collegate tra loro Solaio collegato solo a due o a tutti e quattro i pannelli Solaio rigido Pareti scollegate dal solaio e scollegate tra loro Solaio scollegato ai pannelli Solaio deformabile Pareti collegate al solaio e scollegate tra loro Solaio rigido Pareti collegate al solaio ma scollegate tra loro Solaio collegato a tutti e quattro i pannelli Requisito fondamentale è quindi che i muri portanti, i muri di controventamento e i solai siano efficacemente collegati tra loro. Tale collegamento può essere realizzato mediante cordoli continui in cemento armato lungo tutti i muri, all’altezza dei solai di piano e di copertura, oppure mediante catene C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

Solaio deformabile con cordolo EDIFICI A PARETI PORTANTI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Cordoli di collegamento Il collegamento può essere effettuato mediante cordoli continui in cemento armato lungo tutti i muri, all’altezza dei solai di piano e di copertura. Svolgono una funzione di vincolo alle pareti sollecitate ortogonalmente al proprio piano, ostacolandone il meccanismo di ribaltamento. Inoltre, un cordolo continuo in c.a. consente di collegare longitudinalmente muri di controvento complanari, consentendo la ridistribuzione delle azioni orizzontali fra di essi e conferendo maggiore iperstaticità e stabilità al sistema resistente. Solaio deformabile senza cordolo Solaio deformabile con cordolo Solaio rigido con cordolo C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI A PARETI PORTANTI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Catene Catene e cordoli sono dunque deputati al riassorbimento delle spinte a vuoto e alla loro ridistribuzione tra i puntoni disposti lungo il cammino delle isostatiche di compressione che giungono a terra. Con catene Senza catene C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI A PARETI PORTANTI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Accorgimenti per garantire la robustezza e la stabilità d’insieme: I muri ortogonali fra loro devono essere efficacemente ammorsati tra loro lungo le intersezioni verticali, mediante una opportuna disposizione degli elementi. CANTONALI Intersezioni d’angolo MARTELLI intersezioni tra muro di facciata e muro trasversale INCROCI intersezioni interne C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI A PARETI PORTANTI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Accorgimenti per garantire la robustezza e la stabilità d’insieme: In relazione alla forte variazione di carico assiale che si ha con l’aumentare della quota, i muri presentano variazioni di spessore dal basso verso l’alto, indicati come riseghe. Tali variazioni di spessore possono interessare sia i muri interni che quelli esterni all’edificio. Se i muri sono interni, la variazione di spessore è in genere simmetrica rispetto alla verticale passante per il piano medio del muro. Per i muri esterni, invece, le variazioni di spessore si realizzano di regola all’interno per avere facciate con paramento verticale continuo: in tal caso tali variazioni di spessore sono utilizzate come eventuale appoggio per le travi dei solai. C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI A PARETI PORTANTI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Stati limite dei pannelli murari I meccanismi di rottura dei pannelli murari possono essere innescati da: Azioni agenti nel piano: PRESSO-FLESSIONE TAGLIO Azioni agenti fuori piano: dipendono dalla snellezza dei pannelli, unita alla trascurabile resistenza a trazione e alle deformazioni differite nel tempo. EFFETTI DEL SECONDO ORDINE C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI INTELAIATI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Il muro portante rappresenta per l’edificio un notevole vincolo alla libera articolazione della pianta che incidono sulle ampiezze massime delle aperture di vani e finestre. La genesi del telaio può pertanto farsi risalire alla riduzione delle sezioni degli elementi portanti verticali che danno origine ai pilastri ed all’aumento delle luci degli architravi che si trasformano in travi. C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI INTELAIATI Gli elementi della struttura intelaiata Prof. Ing. Roberto Castelluccio Gli elementi della struttura intelaiata La struttura intelaiata è costituita dall’incrociarsi nello spazio di un insieme di travi e pilastri che vengono a formare una gabbia articolata, in grado di trasmettere i carichi verticali ed orizzontali dai solai alle travi, dalle travi ai pilastri ed infine dai pilastri alle fondazioni che distribuiscono il carico al suolo. SOLAI TRAVI PILASTRI FONDAZIONI C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

SOLAI TRAVI PILASTRI/SETTI FONDAZIONI EDIFICI INTELAIATI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Ripartizione dei carichi Le modalità con la quale i carichi verticali si distribuiscono all’interno della struttura sono legate alla seguente catena di ripartizione: SOLAI TRAVI PILASTRI/SETTI FONDAZIONI I carichi che agiscono sul solaio sono generalmente di natura distribuita, con particolari condizioni di carichi concentrati. La trasmissione dei carichi da un elemento all’altro segue la regola delle aree di influenza. C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI INTELAIATI Solai Prof. Ing. Roberto Castelluccio Solai Nei sistemi intelaiati i solai lavorano prevalentemente a flessione, per cui la grandezza a cui si fa riferimento è l’INERZIA. La disposizione dei travetti nel campo di solaio determina l’orditura dello stesso, che può seguire due regole: A SCACCHIERA TRAVE CONTINUA In questo caso tutte le travi sono caricate, pertanto la distribuzione dei carichi risulta piuttosto omogenea. Lo schema di ogni campo di solaio sarà prossimo a quello di una trave appoggiata - appoggiata In questo caso si avrà un sistema di travi principali ed un sistema di travi secondarie (scariche). I solai avranno uno schema prossimo a quello di una trave continua su più appoggi C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI INTELAIATI Travi Prof. Ing. Roberto Castelluccio Travi Le travi sono elementi inflessi poiché lavorano prevalentemente a flessione. La caratteristica che si oppone a questa sollecitazione è l’inerzia che dipende dalla geometria della trave. Nel caso di edifici intelaiati in acciaio l’inerzia dipende dalla geometria del profilo scelto. A parità di altezza due profili possono avere momenti di inerzia molto differenti: Nel caso di edifici intelaiati in calcestruzzo armato, invece, la sezione delle travi è quasi sempre rettangolare. Per esse possiamo distinguere: TRAVI EMERGENTI: poiché «emergono» dallo spessore del solaio. Possono essere intradossate ovvero estradossate TRAVI A SPESSORE: poiché si sviluppano nello spessore del solaio che ne condiziona d’altezza. C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI INTELAIATI Schema di carpenteria Prof. Ing. Roberto Castelluccio Schema di carpenteria La disposizione dei pilastri in pianta deve tener conto della distribuzione delle inerzie rispetto agli assi baricentrici, al fine di evitare che l’azione orizzontale dell’accelerazione sismica produca forti rotazioni degli impalcati. SOLAIO SBALZO TRAVI EMERGENTI TRAVI A SPESSORE PILASTRI C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI INTELAIATI Condizioni di carico per il telaio Prof. Ing. Roberto Castelluccio Condizioni di carico per il telaio La struttura intelaiata è schematizzata come un telaio soggetto a carichi verticali (peso proprio degli elementi strutturali, carichi semi-permanenti e carichi accidentali) e a carichi orizzontali (veto e sisma) applicati agli impalcati. I collegamenti tra travi e pilastri sono realizzati con vincoli che nel caso delle strutture in calcestruzzo armato gettato in opera sono assimilabili ad incastri, attesa la compenetrazione di travi e pilastri. Ciò consente di affidare ai telai in c.c.a. il compito di resistere alle spinte orizzontali. I collegamenti dei telai in acciaio, legno ovvero c.a.p., invece, sono più vicini allo schema di funzionamento di appoggi e cerniere, ed il loro comportamento reale è effettivamente quello di cerniere imperfette o deboli incastri. Tali strutture perciò non hanno capacità di resistere ad azioni orizzontali anche deboli (vento, sisma) e devono essere integrate con elementi di irrigidimento disposti nelle due direzioni ortogonali: i controventi. C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI CONTROVENTATI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Controventi STRUTTURA INTELAIATA Il dimensionamento delle membrature avviene nel rispetto del criterio di gerarchia delle resistenze: gli elementi sono progettati in funzione di come si vuole che «muoia» la struttura, si controlla il meccanismo di collasso distribuendo in modo opportuno le resistenze. STRUTTURA A CONTROVENTI CONCENTRICI Al fine di conseguire un comportamento duttile le strutture con controventi concentrici devono essere progettate in modo che la plasticizzazione delle diagonali tese preceda la rottura delle connessioni e l’instabilizzazione di travi e colonne. STRUTTURA A CONTROVENTI ECCENTRICI Al fine di conseguire un comportamento duttile le strutture con controventi eccentrici devono essere progettate in modo che la plasticizzazione degli elementi di connessione preceda la rottura delle connessioni e l’instabilizzazione delle altre membrature. C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI CONTROVENTATI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Controventi concentrici Il controvento è costituito da un telaio controventato con diagonali che convergono in : nodi trave-pilastro punti di travi o pilastri in cui convergono altre diagonali I controventi reticolari concentrici possono essere distinti nelle seguenti categorie : CONTROVENTI CON DIAGONALE TESA ATTIVA la resistenza alle forze orizzontali e le capacità dissipative sono affidate alle aste diagonali soggette a trazione C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI CONTROVENTATI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Controventi concentrici CONTROVENTI A «V» Le forze orizzontali devono essere assorbite considerando sia le diagonali tese che quelle compresse. Il punto d’intersezione di queste diagonali giace su di una membratura orizzontale che deve essere continua CONTROVENTI A «K» Questa categoria non deve essere considerata dissipativa in quanto il meccanismo di collasso coinvolge la colonna C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI CONTROVENTATI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Controventi eccentrici Il controvento è costituito da un telaio controventato con diagonali che non convergono (ad entrambe le estremità) in un nodo trave colonna o in un punto in cui converge un’altra diagonale. I controventi eccentrici dividono le travi dei telai in due o più parti. Ad una di queste parti, chiamata «elemento di connessione» o «link», è affidato il compito di dissipare l’energia sismica attraverso deformazioni plastiche cicliche taglianti e/o flessionali. C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI CONTROVENTATI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Esempi di realizzazione C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI CONTROVENTATI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Esempi di realizzazione C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017

EDIFICI CONTROVENTATI Prof. Ing. Roberto Castelluccio Esempi di realizzazione C.d.l. in Ingegneria Edile – Architettura – a.a. 2016/2017