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Raffaele Landolfo » 24.Criteri di progetto per strutture in acciaio in zona sismica


Indice

  • Tipologie strutturali
  • Duttilità delle strutture in acciaio
  • Fattori di struttura
  • Progetto di strutture dissipative: regole generali
  • Strutture a telaio
  • Strutture con controventi concentrici
  • Strutture con controventi eccentrici

Tipologie strutturali

Le strutture sismo-resistenti in acciaio sono classificate nelle seguenti tipologie:

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.

Nodo rigido

Nodo rigido


Tipologie strutturali (segue)

b) Strutture con controventi concentrici:

  1. controventi con diagonale tesa attiva, in cui le forze orizzontali sono assorbite principalmente da membrature soggette a forze assiali. Le zone dissipative sono principalmente collocate nelle diagonali tese;
  2. 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;
  3. controventi a K, in cui il punto d’intersezione delle diagonali giace su una colonna. Questa categoria non deve essere considerata dissipativa in quanto il meccanismo di collasso coinvolge la colonna.
Strutture con controventi eccentrici (b)

Strutture con controventi eccentrici (b)


Tipologie strutturali (segue)

c) Strutture con controventi eccentrici

Le forze orizzontali sono 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.
Possono essere classificati come dissipativi quando la plasticizzazione dei traversi dovuta alla flessione e/o al taglio precede il raggiungimento della resistenza ultima delle altre parti strutturali.

d) Strutture a mensola o a pendolo inverso: costituite da membrature pressoinflesse in cui le zone dissipative sono collocate alla base.

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

f) Strutture intelaiate con tamponature: costituite da tamponature in muratura o calcestruzzo non collegate ma in contatto con le strutture intelaiate.

Strutture con controventi eccentrici (c)

Strutture con controventi eccentrici (c)

Strutture intelaiate con controventi concentrici (e)

Strutture intelaiate con controventi concentrici (e)


Duttilità delle strutture in acciaio


Duttilità delle strutture in acciaio (segue)


Fattore di struttura


Fattore di struttura (segue)

Il dimensionamento delle membrature avviene nel rispetto del criterio di Gerarchia delle Resistenze.

Le membrature non dissipative (Gerarchia Globale) ed i collegamenti delle parti dissipative al resto della struttura (Gerarchia Locale) devono possedere, nei confronti delle zone dissipative, una sovraresistenza sufficiente a consentire lo sviluppo in esse della plasticizzazione ciclica.

La sovraresistenza è valutata moltiplicando la resistenza nominale di calcolo delle zone dissipative per un opportuno coefficiente di sovraresistenza γRD

γRD= 1,3 per CD”A” (Alta duttilità)
γRD = 1,1 per CD”B” (Bassa duttilità)

se non diversamente specificato.


Progetto di strutture dissipative: regole generali

Il materiale
Per le zone dissipative devono essere assicurati i seguenti prerequisiti:

  • il rapporto fra i valori nominali caratteristici della tensione di rottura ftk e la tensione di snervamento fyk deve essere maggiore di 1,20;
  • il massimo allungamento a rottura εt deve essere non inferiore al 20%;
  • la tensione di snervamento massima fy,max deve risultare: fy,max ≤1,2 fyk;
  • i collegamenti bullonati devono essere realizzati con bulloni ad alta resistenza di classe 8.8 o 10.9;
  • il coefficiente di sovraresistenza del materiale γRD, definito come il rapporto fra il valore medio fy,m della tensione di snervamento e il valore caratteristico fyk nominale, deve assumere i valori indicati nella Tabella a lato;
  • nelle zone non dissipative e nelle connessioni, se fyk > fy,max è possibile assumere γRD=1,00.

Progetto di strutture dissipative: regole generali (segue)

Le connessioni

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

Il requisito di sovraresistenza è soddisfatto nel caso di saldature 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:

Rjd ≥ γRd 1,1 Rpl

dove:

Rjd è la resistenza di progetto del collegamento;
Rpl è la resistenza plastica della membratura collegata.

Collegamenti bullonati

Collegamenti bullonati

Collegamenti saldati

Collegamenti saldati


Progetto di strutture dissipative: regole generali (segue)

Le membrature

Parti compresse e/o inflesse delle zone dissipative
Si deve garantire una duttilità locale sufficiente degli elementi che dissipano energia in compressione e/o flessione limitando il rapporto larghezza-spessore b/t secondo le classi di sezioni trasversali già citate.
In funzione della classe di duttilità e del fattore di struttura q0 usato in fase di progetto sono determinate le classi di sezioni trasversali da usare nelle parti dissipative (figura 1).

Classificazione della sezione trasversale

Classificazione della sezione trasversale


Progetto di strutture dissipative: regole generali (segue)

Parti tese delle zone dissipative
Nel caso di collegamenti bullonati, 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.
Deve quindi essere soddisfatta la relazione:

\frac{A_{res}}A\geq 1,1\cdot \frac{\gamma_{M2}}{\gamma_{M0}}\cdot \frac{f_{yk}}{f_{tk}}

Ares = area resistente netta;
A = area lorda;
γM0 = coeff sicurezza della membratura senza fori;
γM2 = coeff sicurezza della membratura con fori.

Strutture a telaio

Gerarchia delle Resistenze

Al fine di conseguire un comportamento duttile i telai devono essere progettati in modo che le cerniere plastiche si formino nelle travi piuttosto che nelle colonne, tranne che per le sezioni delle colonne alla base ed alla sommità dei telai multipiano e per tutte le sezioni degli edifici monopiano.

  • Gerarchia Globale: gli elementi duttili sono progettati come meno resistenti di quelli fragili, in modo da agire come fusibili strutturali, salvaguardando così l’integrità della struttura nel suo complesso, permettendo la formazione di meccanismi di collasso di tipo globale. (Pilastro sovraresistente rispetto alla trave);
  • Gerarchia Locale: gli elementi non dissipativi ed i collegamenti delle parti dissipative sono progettati con un’adeguata sovraresistenza nei confronti delle zone dissipative. (Collegamento e pannello d’anima sovraresistenti rispetto alla trave).
Strutture a telaio: zone dissipative

Strutture a telaio: zone dissipative

Gerarchia globale e gerarchia locale

Gerarchia globale e gerarchia locale


Strutture a telaio (segue)

Trave

Nelle sezioni in cui è attesa la formazione delle cerniere plastiche devono essere verificate le relazioni

M_{Ed}/M_{pl, Rd}\leq 1

N_{Ed}/N_{pl, Rd}\leq 0,15

(V_{Ed, G}+V_{Ed, M})/V_{pl, Rd}\leq 0,50

dove:

  • MEd , NEd , VEd sono i valori di progetto del momento flettente, dello sforzo assiale e del taglio;
  • Mpl,Rd , Npl,Rd , Vpl,Rd sono i valori delle resistenze plastiche di progetto, flessionale, assiale e tagliante;
  • VEd,G è la sollecitazione di taglio di progetto dovuta alle azioni non-sismiche;
  • VEd,M è la forza di taglio dovuta all’applicazione di momenti plastici equiversi Mpl,Rd nelle sezioni in cui è attesa la formazione delle cerniere plastiche.

Strutture a telaio (segue)

Colonna

Le colonne devono essere verificate in compressione considerando la più sfavorevole combinazione di sollecitazioni assiali e flessionali. Le sollecitazioni di progetto sono determinate come:

N_{Ed}=N_{Ed,G}+1,1\cdot \gamma_{Rd}\cdot \Omega \cdot N_{Ed, E}

M_{Ed}=M_{Ed, G}+1,1\cdot \gamma_{Rd}\cdot \Omega\M_{Ed, E}

V_{Ed}=V_{Ed, G}+1,1\cdot \gamma_{Rd}\Omega \cdot V_{Ed, E}

dove:

  • MEd,G , NEd,G , VEd,G sono le sollecitazioni di compressione, flessione e taglio dovute alle azioni non sismiche;
  • MEd,E , NEd,E , VEd,E sono le sollecitazioni dovute alle azioni sismiche;
  • Ω è il minimo valore tra gli Ωi = Mpl,Rd, / MEd,i di tutte le travi in cui si attende la formazione di cerniere plastiche.

Il taglio di progetto deve rispettare la seguente limitazione: V_{pl, Ed}/V_{pl, Rd}\leq0,50


Strutture a telaio (segue)

Nodo Trave – Colonna

Per assicurare lo sviluppo del meccanismo globale dissipativo è necessario rispettare la gerarchia delle resistenze assicurandosi che per ogni nodo trave-colonna del telaio:

\Sigma M_{C,pl,Rd}\geq \gamma_{RD}\cdot \Sigma M_{b,pl,Rd}

dove:

  • γRD = 1,3 per strutture in classe CD”A” e 1,1 per CD”B”;
  • MC,pl,Rd è il momento resistente della colonna calcolato per i livelli di sollecitazione assiale presenti nella colonna nelle combinazioni sismiche delle azioni;
  • Mb,pl,Rd è il momento resistente delle travi che convergono nel nodo trave-colonna.

Strutture con controventi concentrici

Gerarchia delle Resistenze

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.

  • Gerarchia Globale: gli elementi duttili sono progettati come meno resistenti di quelli fragili, in modo da agire come fusibili strutturali, salvaguardando così l’integrità della struttura nel suo complesso, permettendo la formazione di meccanismi di collasso di tipo globale. (Pilastro e trave sovraresistenti rispetto alla diagonale);
  • Gerarchia Locale: gli elementi non dissipativi ed i collegamenti delle parti dissipative sono progettati con un’adeguata sovraresistenza nei confronti delle zone dissipative. (Collegamento sovraresistente rispetto alla diagonale).
Strutture con controventi concentrici a X: zone dissipative

Strutture con controventi concentrici a X: zone dissipative

Gerarchia globale e gerarchia locale

Gerarchia globale e gerarchia locale


Strutture con controventi concentrici (segue)

Diagonali

Per edifici con più di due piani, la snellezza adimensionale delle diagonali deve rispettare le seguenti condizioni:

1,3\leq\bar\lambda\leq2

I coefficienti di sovraresistenza valgono:

\Omega_i=\frac{N_{pl,Rd,i}}{N_{Ed,i}}

Travi e colonne

Travi e colonne, considerate soggette prevalentemente a sforzi assiali, devono rispettare la condizione:

N_{Ed}/N_{pl,Rd}(M_{Ed})\leq 1

dove:

N_{Ed}=N_{Ed, G}+1,1 \cdot \gamma_{Rd}\cdot \Omega \cdot N_{Ed, E}

essendo Npl,Rd la resistenza nei confronti dell’instabilità calcolata tenendo conto del momento flettente:

M_{Ed}=M_{Ed, G}+1,1\cdot \gamma_{Rd}\Omega \cdot M_{Ed, E}


Strutture con controventi concentrici (segue)

Gerarchia delle Resistenze

Al fine di conseguire un comportamento duttile, le strutture con controventi eccentrici devono essere progettate in modo che la plasticizzazione degli ‘elementi di connessione’ o ‘link’ preceda la rottura delle connessioni e l’instabilizzazione delle altre membrature.

  • Gerarchia Globale: gli elementi duttili sono progettati come meno resistenti di quelli fragili, in modo da agire come fusibili strutturali, salvaguardando così l’integrità della struttura nel suo complesso, permettendo la formazione di meccanismi di collasso di tipo globale (trave e diagonale sovraresistenti rispetto al link);
  • Gerarchia Locale: gli elementi non dissipativi ed i collegamenti delle parti dissipative sono progettati con un’adeguata sovraresistenza nei confronti delle zone dissipative (collegamento sovraresistente rispetto al link).
Strutture con controventi eccentrici: zone dissipative

Strutture con controventi eccentrici: zone dissipative

Gerarchia globale e gerarchia locale

Gerarchia globale e gerarchia locale


Strutture con controventi concentrici (segue)

Diagonali

Per edifici con più di due piani, la snellezza adimensionale delle diagonali deve rispettare le seguenti condizioni:

1,3\leq\bar \lambda\leq 2

I coefficienti di sovraresistenza per tutte le membrature non contenenti link, devono essere calcolati:

  • per Link Corti come il minimo tra tutti gli
\Omega_i=1,5\cdot M_{l, Rd,i}/M_{Ed,i}
  • per Link Lunghi come il minimo tra tutti gli
\Omega_i=1,5\cdot V_{l, Rd,i}/V_{Ed, i}

Travi e colonne

Travi e colonne, considerate soggette prevalentemente a sforzi assiali, devono rispettare la condizione:

N_{Ed}/N_{pl, Rd}(M_{Ed})\leq 1


Strutture con controventi concentrici (segue)

Per ulteriori approfondimenti:

Landolfo R. “Acciaio e Sisma”, Costruzioni Metalliche n.6, 2009, p.p. 108-109


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