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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

Tipologie strutturali (segue)

b) Strutture con controventi concentrici:

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;
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 una colonna. Questa categoria non deve essere considerata dissipativa in quanto il meccanismo di collasso coinvolge la colonna.

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 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 γ_RD

γ_RD= 1,3 per CD”A” (Alta duttilità)
γ_RD = 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 f_tk e la tensione di snervamento f_yk deve essere maggiore di 1,20;
il massimo allungamento a rottura ε_t deve essere non inferiore al 20%;
la tensione di snervamento massima f_y,max deve risultare: f_y,max ≤1,2 f_yk;
i collegamenti bullonati devono essere realizzati con bulloni ad alta resistenza di classe 8.8 o 10.9;
il coefficiente di sovraresistenza del materiale γ_RD, definito come il rapporto fra il valore medio f_y,m della tensione di snervamento e il valore caratteristico f_yk nominale, deve assumere i valori indicati nella Tabella a lato;
nelle zone non dissipative e nelle connessioni, se f_yk > f_y,max è possibile assumere γ_RD=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:

R_jd ≥ γ_Rd 1,1 R_pl

dove:

R_jd è la resistenza di progetto del collegamento;
R_pl è la resistenza plastica della membratura collegata.

Collegamenti bullonati

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

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:

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

A_res = area resistente netta;
A = area lorda;
γ_M0 = coeff sicurezza della membratura senza fori;
γ_M2 = 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

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:

M_Ed , N_Ed , V_Ed sono i valori di progetto del momento flettente, dello sforzo assiale e del taglio;
M_pl,Rd , N_pl,Rd , V_pl,Rd sono i valori delle resistenze plastiche di progetto, flessionale, assiale e tagliante;
V_Ed,G è la sollecitazione di taglio di progetto dovuta alle azioni non-sismiche;
V_Ed,M è la forza di taglio dovuta all’applicazione di momenti plastici equiversi M_pl,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:

M_Ed,G , N_Ed,G , V_Ed,G sono le sollecitazioni di compressione, flessione e taglio dovute alle azioni non sismiche;
M_Ed,E , N_Ed,E , V_Ed,E sono le sollecitazioni dovute alle azioni sismiche;
Ω è il minimo valore tra gli Ω_i = M_pl,Rd, / M_Ed,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:

γ_RD = 1,3 per strutture in classe CD”A” e 1,1 per CD”B”;
M_C,pl,Rd è il momento resistente della colonna calcolato per i livelli di sollecitazione assiale presenti nella colonna nelle combinazioni sismiche delle azioni;
M_b,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

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 N_pl,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).