Zone sismiche 4

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA STRUTTURALE STRUTTURALE

Università di Pisa

Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed EdileCorsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile--ArchitetturaArchitettura

Costruzioni in Zona Sismica. Parte 4.Strutture in acciaio

Docente:

Ing. Walter Salvatore

Anno Accademico 2003Anno Accademico 2003--20042004

Costruzioni in Zona Sismica - Corsi di Laurea in Ingegneria Edile ed Edile Architettura - A.A. 2003-04 2

Progettazione sismica di strutture in acciaio.

Componenti strutturaliGli edifici in acciaio sono costituiti da una combinazione di componenti strutturali quali:- fondazioni- struttura- solai

FondazioniLe fondazioni sono solitamente realizzate in cemento armato.

StrutturaLa struttura è costituita da uno scheletro in acciaio capace di riportare tutte le azioni orizzontali e verticali in fondazione.

SolaiI solai hanno la funzione di resistere ai carichi verticali riportandoli alle travi di solaio

[Rif. Bibl. ECCS TC 13 Seismic Design. ECCS Manualon Design of Steel Structures in Seismic Zones, 1994.]


Progettazione sismica di strutture in acciaio. ControventiPer poter assorbire carichi orizzontali comunque diretti è necessario disporre un numero sufficiente di strutture di controvento. A tal propositi è possibile considerare ogni solaio come una struttura piana vincolata dai controventi che ne costituiscono i vincoli.Ovviamente il solaio deve essere in grado di resistere in campo elastico alle azioni orizzontali di progetto.



Controventi orizzontali e

verticali



Caratterizzazione sismica delle tipologie strutturaliSiccome le strutture di controvento orizzontali e/o i solai devono resistere alle azioni orizzontali in campo elastico, l’azione dissipativa durante il terremoto può essere localizzata solo nelle strutture verticali che diventano così l’elemento caratterizzante delle strutture in acciaio in zona sismica.

Si distinguono essenzialmente tre tipologie strutturali:- strutture con controventi concentrici- strutture con controventi eccentrici- strutture a telaio

Strutture a controventi concentriciLe zone dissipative si localizzano nelle aste tese, anche se le capacità dissipative sono spesso poco soddisfacenti a causa dei ripetuti fenomeni di instabilità che interessano le aste diagonali compresse. Ciò produce una progressiva diminuzione dell’area racchiusa nei cicli di isteresi.



Strutture a controventi

concentrici



Strutture a controventi concentrici: controventi ad X


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Strutture a controventi concentrici

Caratteristiche diverse si ottengono a seconda della tipologia di controvento. Esitono essenzialmente tre categorie:- controventi a X;- controventi a V- controventi a K.

I controventi ad X dissipano a causa della plasticizzazione sia dell’elemento compresso che di quello teso ed il loro degrado è dovuto all’interazione fra l’instabilità fuori piano ed i fenomeni di instabilità locale che interessano l’elemento di volta in volta compresso.Sezioni simmetriche hanno prestazioni migliori di sezioni non simmetriche.

I controventi a V, quando entrambe le diagonali tesa e compressa resistono alle azioni orizzontali, dissipano energia solo in corrispondenza degli elementi compressi

I controventi a K non possono essere considerati dissipativi in quanto le diagonali intersecano le colonne.



Strutture a telaioLe strutture a telaio possono avere un gran numero di elementi dissipativi localizzati essenzialmente in corrispondenza dei collegamenti trave colonna.La dissipazione di energia avviene essenzialmente per cicli a flessione.

I collegamenti trave-colonna possono essere suddivisi in 4 categorie:tipo A: collegamenti con coprigiunti;tipo B: collegamenti con squadrette;tipo C: collegamenti con flangia;tipo D: collegamenti saldati.

La capacità di assorbire energia è molto diversa a seconda del tipo di collegamento utilizzato.

Al fine di garantire la formazione delle cerniere plastiche in corrispondenza dei collegamenti è necessario stabilire una opportuna gerarchia delle resistenze tra trave, colonna e collegamento.



Strutture a telaio: tipologie di collegamento


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Meccanismi dissipativi, struttura a telaio



Strutture a telaioI sistemi a telaio sono utilizzati essenzialmente per edifici di altezza non troppo elevata. Per edifici di altezza medio-alta (da 6 a 40 piani) in genere le deformazioni elastiche orizzontali per terremoti di intensità medio-alta o per l’azione del vento risultano in genere troppo elevata, inducendo danneggiamenti agli elemento non strutturali.Una rigidezza sufficiente può essere ottenuta introducendo controventi verticali anche nelle strutture a telaio.

Strutture con controventi eccentriciUna soluzione intermedia tra la rigidezza delle strutture controventate e la duttilità dei telai può essere ottenuta mediante l’introduzione di controventi eccentrici.In questo caso le azioni orizzontali sono assorbite essenzialmente da elementi soggetti a sollecitazioni assiali, ma l’eccentricità del collegamento consente la dissipazione di energia mediante cicli a flessione o a taglio in corrispondenza degli elementi di collegamento.



Strutture con controventi eccentriciLe soluzioni più comuni possono essere classificate come controventi a D, a K ed a V.


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Strutture con controventi eccentriciAnche in questo caso la localizzazione delle cerniere plastiche deve essere garantita attraverso la definizione di un’opportuna gerarchia delle resistenze.La lunghezza del collegamento eccentrico è responsabile del meccanismo di collasso che dissipa energia.Collegamenti corti dissipano essenzialmente per taglio (shear links).Elementi più lunghi dissipano energia per flessione (moment links).

Ovviamente il collegamento deve essere progettato con cura per ottenere le prestazioni richieste.

Caratteristiche dissipative di un

collegamento eccentrico


La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003.

TIPOLOGIE STRUTTURALI E FATTORE DI STRUTTURA

Le strutture sismo-resistenti in acciaio possono essere distinte nelle seguenti tipologie strutturali in accordo con il loro comportamento sotto azioni orizzontali:

a) strutture intelaiate: composte da telai che resistono alle forze orizzontali con un comportamento prevalentemente flessionale.

In queste strutture le zone dissipative sono principalmente collocate alle estremità delle travi in prossimità dei collegamenti trave-colonna, dove si possono formare le cerniere plastiche e l’energia viene dissipata per mezzo della flessione ciclica plastica.

b) controventi reticolari concentrici: nei quali le forze orizzontali sono assorbite principalmente da membrature soggette a forze assiali.

In queste strutture le zone dissipative sono principalmente collocate nelle diagonali tese. Pertanto possono essere considerati in questa tipologia solo quei controventi per cui lo snervamento delle diagonali tese precede il raggiungimento della resistenza a compressione delle aste strettamente necessarie ad equilibrare i carichi esterni.



I controventi reticolari concentrici possono essere distinti nelle seguenti tre categorie:

— controventi con diagonale tesa attiva, in cui le forze orizzontali vengono assorbite dalle sole diagonali tese, trascurando le diagonali compresse.

— controventi a V, in cui 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, in cui il punto d’intersezione delle diagonali giace su di una colonna. Questa categoria non deve essere considerata dissipativa in quanto il meccanismo di collasso coinvolge la colonna. Pertanto, si deve assumere q = 1.



c) controventi eccentrici: nei quali le forze orizzontali sono principalmente assorbite da membrature caricate assialmente, ma la presenza di eccentricità di schema permette la dissipazione di energia nei traversi per mezzo del comportamento ciclico a flessione e/o taglio. I controventi eccentrici possono essere classificati dissipativi quando la plasticizzazione dei traversi dovuta alla flessione e/o al taglio precede il raggiungimento della resistenza ultima delle membrature tese o compresse.

d) strutture a mensola o a pendolo invertito: costituite da membrature pressoinflessein cui le zone dissipative sono collocate alla base.

e) strutture intelaiate controventate: nelle quali le azioni orizzontali sono assorbite sia da telai che da controventi agenti nel medesimo piano.



Criteri di dimensionamento

La duttilità e le capacità dissipative di un organismo strutturale sotto azioni sismiche di tipo distruttivo dipendono non solo dalla tipologia strutturale, ma anche dai criteri di dimensionamento adottati e dal dettaglio costruttivo delle zone dissipative. Con riferimento alle strutture intelaiate ed alle strutture con controventi sia concentrici che eccentrici, in relazione ai criteri di dimensionamento adottati, si distinguono due classi di duttilità:

- strutture a bassa duttilità;

- strutture ad alta duttilità.

A tali strutture corrispondono, rispettivamente, i seguenti criteri di dimensionamento:

- criteri puramente elastici, quando le membrature costituenti l’organismo strutturale vengono dimensionate sulla base dei valori delle azioni interne ricavati dall’analisi elastica globale.

- criteri semplificati per il controllo del meccanismo di collasso, quando il dimensionamento degli elementi non dissipativi viene effettuato nel rispetto del criterio di gerarchia delle resistenze.



Fattore di struttura

Il fattore di struttura q introdotto per tener conto della capacità di dissipazione dell’energia sismica, dipende dalla tipologia strutturale, dai criteri di dimensionamento, dalla duttilità locale delle membrature e dal grado di regolarità della configurazione strutturale. Pertanto, esso viene espresso per ciascuna tipologia strutturale nella forma seguente:

q = ΨR qo

dove:

- q0 è il valore di riferimento del fattore di struttura dipendente dalla tipologia strutturale e dai criteri di dimensionamento adottati (classe di duttilità);

-ΨR è un coefficiente di riduzione che tiene conto delle risorse di duttilità locale delle membrature impiegate.

Nel caso di strutture costituite da membrature appartenenti a diverse categorie di duttilità il valore di ΨR deve essere assunto pari a quello della categoria inferiore.



Tali valori di q0 sono da intendersi validi a patto che vengano rispettate le regole di progettazione fornite dalla norma.

In particolare, essi richiedono collegamenti a completo ripristino di resistenza

progettati con un margine di sovraresistenza tale da consentire il completo sviluppo

delle risorse di duttilità locale delle membrature collegate.



α1 è il moltiplicatore della forza sismica orizzontale per il quale il primo elemento strutturale raggiunge la sua resistenza flessionale

αu è il moltiplicatore della forza sismica orizzontale per il quale si verifica la formazione di un numero di cerniere plastiche tali da rendere la struttura labile o avere instabilità globale.

Il valore di αu/α1 può essere calcolato per mezzo di un’analisi statica non lineare e non può in ogni caso essere assunto superiore a 1,5.

Qualora non si proceda ad una analisi non lineare per la valutazione di αu/α1, i seguenti valori possono essere adottati:

edifici a telaio di un piano αu/α1 = 1,1

edifici a telaio a più piani, con una sola campata αu/α1 = 1,2

edifici a telaio con più piani e più campate αu/α1 = 1,3

edifici con controventi eccentrici αu/α1 = 1,2



ANALISI STRUTTURALE

Nella modellazione dell’organismo strutturale, gli impalcati si possono considerare rigidi nel

proprio piano ai fini della analisi strutturale senza ulteriori verifiche, se

a) essi sono realizzati in cemento armato;

b) le eventuali aperture non influenzano significativamente la rigidezza globale nel loro piano.



Proprietà dei materialiLe proprietà dei materiali devono essere considerate variabili casuali.In genere si assumono i valori caratteristici, cioè i frattili 5 e 95%, come limite superiore ed inferiore della loro variabilità.

In genere si utilizza il solo limite inferiore (progettazione statica).In sismica diventa importante, a causa dei fenomeni di sovra-resistenza, anche il limite superiore delle caratteristiche del materiale.

All’aumentare della variabilità delle caratteristiche del materiale, in genere diminuisce la duttilità delle costruzioni.D’altro canto aumenta la resistenza degli elementi strutturali.In genere l’effetto della variabilità non è considerato supponendo che i due effetti possano, in qualche modo, compensarsi.


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Acciai StrutturaliGli acciai per le applicazioni strutturali si distinguono in genere tra acciai legati e non legati.Gli acciai non legati sono quelli in cui non si eccedono i limiti in tabella. Gli acciai legati sono quelli in cui almeno un limite non è rispettato.



Acciai StrutturaliGli acciai non legati si dividono in 3 categorie:acciai base, devono soddisfare alcune limitazioni riguardo la loro composizione – in genere si ha fy < 360 N/mm2, fu < 690 N/mm2acciai di qualitàacciai speciali, sono caratterizzati da una maggior purezza nei confronti delle inclusioni di materiali non metallici; si ottiene un miglioramento delle caratteristiche meccaniche mediante l’adozione di una particolare composizione chimica.

Gli acciai non legati usualmente utilizzati nella carpenteria metallica sono gli acciai Fe360, Fe430 ed Fe510 nei gradi B, C e D.

Gli acciai legati devono subire trattamenti per migliorare la loro resistenza e tenacità per poter essere utilizzati come materiale da costruzione.Di conseguenza devono subire un trattamento termico.


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Acciai StrutturaliGli acciai legati si dividono in 2 categorie:acciai di qualità, devono soddisfare alcune limitazioni riguardo la loro composizione – in genere si ha fy < 380 N/mm2acciai speciali, sono caratterizzati da una composizione chimica ben precisa che garantisce proprietà molto particolari cosicchè questi acciai possono essere utilizzati in una gran varietà di condizioni.In questa famigli di acciai, quelli da costruzione sono i tipi Fe420 ed Fe460, acciai a grana fine, saldabili.


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Caratteristiche meccaniche degli acciaiLe caratteristiche meccaniche che sono di un certo interesse nell’ambito dell’ingegneria sismica sono:tensione di snervamento, tensione di rottura, modulo di elasticità, modulo iniziale di incrudimento, deformazione di snervamento, deformazione ultima, duttilità, coefficiente di Poisson, tenacità, durezza.



L’incrudimento.



Effetto Bauschinger


Proprietà dei materiali

L’acciaio costituente le membrature, le saldature ed i bulloni deve essere conforme ai requisiti prescritti nelle norme sulle costruzioni in acciaio, ove non diversamente specificato.

Qualora l’acciaio impiegato sia di qualità diversa da quella prevista in progetto si dovrà procedere ad una ricalcolazione della struttura per dimostrarne l’adeguatezza.

Per le zone dissipative si applicano le seguenti regole addizionali:

- per gli acciai da carpenteria, comunque conformi alla normativa vigente, il rapporto fra la tensione di rottura fu e la tensione di snervamento fy deve essere maggiore di 1.20 e l’allungamento a rottura misurato su provino standard deve essere non inferiore al 20%;

- le saldature devono essere di prima classe;

- i collegamenti bullonati devono essere realizzati con bulloni ad alta resistenza di classe 8.8 o 10.9 comunque serrati in maniera tale da raggiungere un precarico pari a quello prescritto per le giunzioni ad attrito.

L’impiego di bulloni di classe 12.9 è consentito solo nel caso di unioni a taglio.




Proprietà dei collegamenti trave-colonna

Le strutture quindi possono essere dissipative e non dissipative.Le strutture non dissipative devono resistere ai terremoti di intensità più elevata solo grazie alle risorse elastiche, mentre le strutture dissipative sono progettate in modo da consentire lo sfruttuamento delle risorse post-elastiche in alcune zone, dette appunto dissipative.Durante terremoto di elevata intensità, quindi, l’energia cinetica è dissipata mediante le caratteristiche duttili isteretiche in campo plastico di dette zone.La formazione di appropriati meccanismi dissipativi è correlata con la particolare tipologia strutturale considerata.

I collegamenti trave-colonna devono possedere sufficiente resistenza e duttilità da consentire elevate rotazioni in corrispondenza delle travi e quindi la formazione delle cerniere plastiche.

La duttilità dei collegamenti è un importante prerequisito dei collegamenti in zona sismica e deve essere garantita dal progetto o da opportune analisi sperimentali.


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Definizione di nodo trave-colonna

Right connection

Beam-to-column joint

Left connection

Column web panel


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Definizione di nodo trave-colonna


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Sollecitazioni agenti sul nodo

Bending moment

Fv

N

M

Left Connection

Nv

M

Right Connection

N

Mv

Superior column

N

v

M

Inferior column



Nodo incastrato e nodo incernierato

Beam

Column

Fixed Pinned

Beam

Column

Schematizzazione del nodo trave-colonna: analisi elastica lineare



Introduzione del nodo nella struttura.

Strutture a telaio e strutture controventate

FixedPinned



Nodo incastrato e nodo incernierato

Beam

Column

Fixed Pinned

Beam

Column

Schematizzazione del nodo trave-colonna: analisi elastica lineare



I nodi semi-rigidi

Diagramma momento rotazione.

c

c

c

Mj



I nodi semi-rigidi

Schematizzazione di un nodo semi-rigido in campo statico (a) ed in campo sismico (b).

Keq

(a) (b)

Keq,connKeq,conn

Keq,sp

Keq



Classificazione dei nodi trave-

colonna in funzione della

rigidezza:

nodi a cerniera;

nodi semi-rigidi;

nodi rigidi.



Classificazione dei nodi trave-colonna in funzione della resistenza:

nodi a parziale rispristino di resistenza e nodi a pieno rispristino di resistenza


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Proprietà cicliche dei nodi trave-colonna

Da un punto di vista delle proprietà per azioni cicliche la legge costitutiva del nodo può essere stabile o instabile a seconda che conservi o meno le caratteristiche esibite per azioni monotone all’aumentare dei cicli.In genere si realizzano i seguenti casi:- i nodi esibiscono caratteristiche stabili; resistenza, rigidezza ed area del ciclo rimangono pressoché costanti all’aumentare del numero dei cicli;- i nodi esibiscono comportamento instabile a causa delle deformazioni permanenti in corrispondenza dei fori e dei bulloni;- i nodi esibiscono caratteristiche instabili a causa dello scorrimento dei bulloni


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Valutazione delle caratteristiche dei nodi trave-colonna

Esistono diversi approcci per la valutazione delle caratteristiche di nodi-trave colonna che si possono distinguere in:- metodi matematici- modelli analitici- modelli meccanici- modelli numerici.

Modellazione della legge momento-rotazione del nodo


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Cenno ai modelli meccanici per componenti

I modelli meccanici dei nodi trave-colonna costituiscono un metodo atto a rappresentare il loro comportamento poiché, una volta nota la legge costituiva di ogni elemento elastico, ricavata attraverso prove sperimentali, numeriche o con opportuni modelli analitici, l’insieme di elementi rigidi e deformabili permette di sovrapporre i contributi delle singole parti del nodo, ottenendo un modello complessivo.

Welded joint

Web panel in shear

Connection

Modello di Tschemmernegg e Humer


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Il metodo per componenti nei nodi in acciaio

Il metodo integra in un opportuno schema di funzionamento meccanico, più modelli analitici sviluppati per ciascun elemento funzionale (componente) del collegamento trave-colonna. La procedura del metodo può essere brevemente riassunta in quattro fasi:- identificazione degli elementi funzionali (componenti) e la loro schematizzazione;- individuazione per ciascuna componente delle caratteristiche della sollecitazione cui è soggetta;- definizione delle loro proprietà strutturali (resistenza e rigidezza);assemblaggio delle componenti in un opportuno schema meccanico di funzionamento.



Componenti meccaniche del nodo

(1): anima della colonna soggetta a taglio;(2): anima della colonna soggetta a compressione;(3): anima della colonna soggetta a trazione;(4): flangia della colonna soggetta a flessione;(5): flangia di collegamento soggetta a flessione;(6): anima e flangia della trave soggette a compressione;(7): anima della trave soggetta a trazione;(8): bulloni soggetti a taglio;(9): bulloni soggetti a trazione.

64

2

17

9

53

8

Mb,sd,left

Mb,sd,right

Vb,sd,left Vb,sd,right

Nb,sd,left Nb,sd,right

Vc,sd,down

Vc,sd,up

Nc,sd,up

Nc,sd,down

Mc,sd,up

Mc,sd,down



Componenti soggette a flessione

l

e m0.8r F F

F F

tf



Modalità di rottura

FFF

B B B B B BQ Q Q Q

Bending moment in flange

mode 1mode 2mode 3

Plastic hinge



Modalità di rottura

Quando la rigidezza flessionale delle flange è minore rispetto a quella estensionale dei bulloni, si verifica il primo modo di collasso (modo duttile).

dw

n m

wd

m n

Q Q

Ft,RD

0.5 Ft,RD+Qt,RD0.5 F +Q



Schematizzazione del T-stub equivalente secondo la sua componente meccanica.

effleff

efflzone in tension single bolt-row

t,RDF

u

t,T-stubF

l

y

Kel,T-stub

t,T-stubF Ft,T-stub



Componenti soggette a trazione anima della colonna soggetta a trazione.

zone in tension

leff,T-stub (1)

eff,T-stub (2)l T-stub (2)

T-stub (1)

t

tcw15Ft,RD,cw

15 cw

Non irrigidita Irrigidita



Componenti soggette a trazione: anima della trave soggetta a trazione.

t,RD,bwF

eff,T-stub (2)l

T-stub (2)



Componenti soggette a compressione: anima della colonna soggetta a compressione.

zone in compression

beff,c,cw



Anima della colonna soggetta a taglio.

Column web panelin shear

MConn

z

F

F

(a)

Column web panel

(b)

F

F

zConnM

in shear


REGOLE DI PROGETTO E DI DETTAGLIO PER STRUTTURE DISSIPATIVE

Generalità

Le regole di progetto si applicano alle parti delle strutture sismo-resistenti progettate in accordo con il concetto di comportamento strutturale dissipativo. Tali regole si ritengono soddisfatte se anche le regole di dettaglio sono rispettate.

Regole di progetto

Le strutture con zone dissipative devono essere progettate in maniera tale che queste zone si sviluppino in quelle parti della struttura in cui la plasticizzazione o l’instabilità locale o altri fenomeni di degrado dovuti al comportamento isteretico non influenzano la stabilità globale della struttura.

Le parti strutturali delle zone dissipative devono avere adeguata resistenza e duttilità.

La resistenza deve essere verificata in accordo con la normativa vigente.

Le parti non dissipative delle strutture dissipative ed i collegamenti delle parti dissipative al resto della struttura devono possedere una sufficiente sovraresistenza per consentire lo sviluppo della plasticizzazione ciclica delle parti dissipative.



REGOLE DI DETTAGLIO

Collegamenti in zone dissipative

I collegamenti in zone dissipative devono avere sufficiente sovraresistenza per consentire la plasticizzazione delle parti collegate.

Si ritiene che tale requisito di sovraresistenza sia soddisfatto nel caso di saldature di prima classe a completa penetrazione.

Nel caso di collegamenti con saldature a cordoni d’angolo e nel caso di collegamenti bullonati il seguente requisito deve essere soddisfatto:

Rd ≥ 1.20 · s · Ry

dove: Rd è la resistenza di progetto del collegamento, Ry è la resistenza plastica della membratura collegata.

Nel caso di membrature duttili e plastiche, il coefficiente s tiene conto della sovraresistenza che la membratura può sviluppare a seguito dell’incrudimento (1 ≤ s ≤ fu/fy), essendo fu e fy rispettivamente la tensione ultima e la tensione di snervamento della membratura collegata).




REGOLE DI DETTAGLIO


Il requisito di sovraresistenza dei collegamenti non deve essere applicato nel caso di collegamenti speciali progettati allo scopo di contribuire significativamente alla dissipazione dell’energia sismica.

L’efficacia di tali collegamenti in termini di resistenza, rigidezza e capacità di dissipare energia deve essere dimostrata mediante opportune prove sperimentali.

Nel caso di collegamenti bullonati soggetti a taglio, il collasso per rifollamento deve precedere il collasso a taglio dei bulloni. I bulloni devono essere adeguatamente serrati secondo quanto prescritto per giunti ad attrito.


La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003. REGOLE DI DETTAGLIO


il parametro s che esprime il rapporto fra la tensione che determina la instabilità locale e la tensione di snervamento:

dove fu è la tensione ultima, fy è la tensione di snervamento, bf è la larghezza delle flange, L* è la distanza tra il punto di nullo del diagramma del momento e la cerniera plastica (zona dissipativa), λf e λw

sono parametri di snellezza delle flange e dell’anima, dati da:



REGOLE DI DETTAGLIO


… essendo tf lo spessore delle flange, tw lo spessore dell'anima dw,e la parte compressa dell’anima data da:

dove: dw è l’altezza dell’anima,

A è l’area della sezione,

Aw è l’area dell’anima

ρ = Nsd/A fy è il rapporto fra lo sforzo normale di progetto e lo sforzo normale plastico.



Duttilità locale e duttilità globale

La capacità di un elemento o di un sistema strutturale di deformarsi oltre il limite di snervamento senza subire significative diminuzioni della resistenza è usualmente indicata col termine di duttilità.La duttilità può essere “locale” se riferita ad un singolo elemento strutturale, “globale” quando riferita all’intera struttura.

Le caratteristiche plastiche di una struttura dipendono dalla ridistribuzione dei momenti flettenti: il raggiungimento del predefinito carico di collasso dipende non solo dalla posizione delle cerniere plastiche dove le sezioni raggiungono la piena plasticizzazione, ma anche dalle capacità di sviluppare le rotazioni anelastiche che possono svilupparsi in altre cerniere plastiche.Quindi le cerniere plastiche devono essere caratterizzate da una certa duttilità, chiamata in genere

capacità rotazionale.

La capacità rotazionale è in genere connessa alla deformazione ultima del materiale che però può non essere raggiunta a causa di alcuni fenomeni, quali ad esempio l’instabilità flesso-torsionale, l’instabilità locale e le rotture fragili.


Progettazione sismica di strutture in acciaio. Instabilità flesso-torsionale

L’instabilità flesso-torsionale può impedire ad un elemento di raggiungere il suo momento plastico durante la rotazione plastica, poiché le plasticizzazioni riducono sensibilmente la resistenza allo sbandamento laterale; il momento flettente sopportabile dalla sezione diminuisce all’aumentare della sezione.Occorre quindi prevenire tale fenomeno vincolando opportunamente le sezioni in cui si localizzano i fenomeni plastici sì da impedire spostamenti laterali della flangie e torsionali della sezione.

Instabilità locale

L’instabilità locale è una distorsione della forma della sezione ed i suoi effetti causano una diminuzione sensibile della capacità portante dell’elemento strutturale.L’instabilità locale può essere evitata prevedendo un rapporto larghezza-spessore minimo per le sezioni strutturali

Rotture fragili

Le rotture fragili del materiale causano un’improvvisa diminuzione della capacità portante della sezione senza aumento della rotazione e possono avere conseguenze catastrofiche.



Classificazione delle sezioni: la classe di una sezione dipende dal rapporto larghezza-spessore

dei suoi elementi soggetti a compressione



Valutazione della capacità rotazionale

La capacità rotazionale può essere valutata come il rapporto tra la rotazione plastica al collasso e la rotazione elastica.

Esistono diversi metodi per il calcolo della capacità rotazionale. Tali metodi posso in generale essere divisi in tre gruppi:- metodi teorici;- metodi semi-empirici;- metodi empirici.

L’Ordinanza prevede che la rotazione di collasso di elementi in struttura in acciaio possa essere calcolata mediante sperimentazione diretta, modellazione numerica considerando le non linearità geometriche e meccaniche del materiale, ovvero mediante il metodo descritto nell’Allegato 11.c dell’Ordinanza stessa.



Regole di dettaglio per tutte le tipologie strutturali

Parti compresse delle membrature

Sufficiente duttilità locale delle membrature o di parti di membrature soggette a compressione deve essere assicurata limitando i rapporti larghezza-spessore b/t delle parti che compongono la sezione.

In funzione della loro capacità di deformazione plastica, le membrature si distinguono in tre

categorie di duttilità:

- duttili, quando l’instabilità locale delle parti compresse della sezione si sviluppa in campo plastico ed è sufficientemente ritardata in maniera tale che la membratura sia in grado di sviluppare grandi deformazioni plastiche in regime incrudente senza significative riduzioni della capacità portante;

- plastiche, quando l’instabilità locale si sviluppa in campo plastico, ma i rapporti larghezza-spessore non sono tali da consentire deformazioni plastiche significative;

- snelle, quando l’instabilità locale avviene in campo elastico, senza consentire l’inizio di plasticizzazioni.



Nel caso di profili a doppio T, inflessi o pressoinflessi, e con riferimento agli usuali acciai da carpenteria, ai fini della suddetta classificazione si può impiegare il parametro s.

I valori limite del parametro s che identificano le diverse categorie di comportamento delle membrature sono:

- duttili s ≥ 1.20- plastiche 1 ≤ s < 1.20- snelle s ≤ 1.00I valori q0 del fattore di struttura forniti al punto 6.3.3 sono da intendersi come valori di riferimento validi nel caso di membrature di prima classe. Pertanto, ai suddetti valori si applicano i seguenti coefficienti di riduzione in accordo con la categoria delle membrature in cui sono collocate le zone dissipative:

- duttili ΨR = 1.00- plastiche ΨR = 0.75- snelle ΨR = 0.50L’impiego di membrature snelle è consentito solo in zone di bassa sismicità.


La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003. Parti tese delle membrature

Nel caso di membrature tese o di parti di membrature, la resistenza plastica di progetto deve risultare inferiore alla resistenza ultima di progetto della sezione netta in corrispondenza dei fori per i dispositivi di collegamento. Ciò richiede il rispetto della relazione seguente:

essendo Anet l’area netta in corrispondenza dei fori ed A l’area lorda.

Fondazioni

Il valore di progetto delle azioni deve essere dedotto nell’ipotesi di formazione di cerniere plastiche al piede delle colonne, tenendo conto della resistenza effettiva che tali cerniere sono in grado di sviluppare a causa dell’incrudimento.



Diaframmi e controventi orizzontali

È necessario verificare che i diaframmi ed i controventi orizzontali siano in grado di trasmettere nel loro piano ai diversi elementi sismo-resistenti verticali da essi collegati le forze derivanti dalla analisi di insieme dell’edificio moltiplicate per un fattore di amplificazione pari a 1.5.

Per le parti in cemento armato dei diaframmi orizzontali le seguenti regole vanno rispettate:

- i diaframmi devono essere armati in due direzioni ortogonali e le armature devono essere opportunamente ancorate;

- quando il diaframma presenta nervature parallele, armature addizionali devono essere disposte nella soletta nella direzione ad esse ortogonale (almeno 2 cm2 / ml);

- possono essere impiegate piastre prefabbricate, purché ciascuna sia armata in due direzioni ortogonali e siano collegate alle travi di appoggio e fra loro nei quattro vertici in modo da creare un sistema a traliccio nel piano orizzontale.



Regole di dettaglio per le strutture intelaiate

In relazione ai criteri di progettazione adottati, le zone dissipative nei telai possono essere collocate alle estremità delle travi, alle estremità delle colonne, nei pannelli nodali e nei collegamenti.

Al fine di conseguire un comportamento duttile, i telai devono essere progettati in maniera tale che le cerniere plastiche si formino nelle travi piuttosto che nelle colonne. Questo requisito non è richiesto con riferimento alle sezioni di base del telaio, alle sezioni di sommità delle colonne dell’ultimo piano degli edifici multipiano e nel caso di edifici monopiano.

Tale obiettivo può essere conseguito in maniera più o meno estesa in funzione dei criteri di progettazione adottati. Pertanto, a tale riguardo i telai si distinguono in:

- telai a bassa duttilità;

- telai ad alta duttilità.



Regole di dettaglio per i controventi concentrici

Classi di duttilità

Nel caso dei controventi concentrici il comportamento sismico inelastico ed, in particolare, la capacità di sviluppare un comportamento di tipo dissipativo sono in parte influenzati dai criteri di dimensionamento adottati, ma dipendono anche dalla tipologia di controvento. Pertanto, in relazione a tali fattori si distinguono due classi di duttilità

- controventi concentrici a bassa duttilità

- controventi concentrici ad alta duttilità.


La normativa italiana: l’Ordinanza n. 3274 del 20/03/2003. Regole di dettaglio per i controventi eccentrici

I controventi eccentrici si fondano sull’idea di irrigidire i telai per mezzo di diagonali eccentriche che dividono la trave in due o più parti. La parte più corta in cui la trave risulta suddivisa viene chiamata «link» ed ha il compito di dissipare l’energia sismica attraverso deformazioni plastiche cicliche taglianti e/o flessionali.

I «link» vengono denominati «corti» quando la plasticizzazione avviene per taglio, «lunghi» quando la plasticizzazione avviene per flessione e «intermedi» quando la plasticizzazione è un effetto combinato di taglio e flessione.

Al fine di conseguire un comportamento duttile, i controventi eccentrici devono essere progettati in maniera tale che la plasticizzazione impegni i «link» piuttosto che le colonne. Tale obiettivo di progettazione può essere conseguito in misura più o meno estesa in funzione dei criteri di progettazione adottati. Pertanto, a tale riguardo i controventi eccentrici si distinguono in:

- controventi eccentrici a bassa duttilità

- controventi eccentrici ad alta duttilità.



Strutture a mensola o a pendolo invertito

Nelle strutture a mensola sismo-resistenti dissipative devono essere verificate le colonne ed il loro collegamento alla fondazione. In particolare, i collegamenti colonna-fondazione devono essere progettati in accordo con quanto previsto dalla norma. Il periodo di vibrazione deve essere inferiore a 2.5 secondi e la snellezza nel piano della azione sismica deve essere inferiore a 150.

Lo sforzo assiale di progetto NSd deve essere inferiore a Ncr,e/5, essendo Ncr,e il carico critico euleriano nel piano di flessione. Le membrature devono essere di categoria duttile.

Strutture intelaiate controventate

Qualora siano presenti sia telai che controventi agenti nel medesimo piano, l’azione orizzontale potrà essere ripartita in funzione delle loro rigidezze elastiche.

I telai ed i controventi dovranno essere conformi a quanto previsto nei corrispondenti punti di questa norma.

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Zone sismiche 4