Il “ Conceptual Design” degli edifici in cemento armato in zona sismica

1. 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.” Theodor W. Adorno "Minima moralia”

3. ……siparva licet componeremagnis…. “Fare e disfare è sempre un lavorare” Pierina Borghetti , mia nonna 1890 - 1986

4. “CONCEPTUAL DESIGN” 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 l’impostazione strutturale complessiva il predimensionamento della geometria dei principali elementi

5. CD assente?

6. Un disegno vale 50 parole “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 l’ombelico; 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, l’estremità delle dita delle sue mani e dei suoi piedi". Leonardo, 1490 L’uomo di Vitruvio E’ il disegno il “linguaggio” dei tecnici. Il CONCEPTUAL DESIGN strutturale va basato su disegno e calcolo

7. “Conceptual Design “ delle strutture di un edificio in c.a. Dal CAD Computer Aided Design al CACD Computer AidedConceptual Design

8. “Conceptual Design “ delle strutture di un edificio in c.a. 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

9. “Conceptual Design “ delle strutture di un edificio in c.a. I carichi verticali sono “certi”, le azioni sismiche sono “probabili” Per quanto possibile: - 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! .

10. “Conceptual Design “ delle strutture di un edificio in c.a.

11. I 10 passi del progetto preliminare • scelte preliminari • 1. Analisi critica della “geometria” complessiva • 2. Materiali e tipologia strutturale • AZIONI VERTICALI • Analisi carichi verticali: pesi propri G1, permanenti portati G2, variabili Qk • Predimensionamento solai (SLE) • Aree di carico di competenza di travi, pilastri, setti e nuclei (CACD) • Predimensionamento degli elementi verticali (SLU) • AZIONI SISMICHE • Stima del periodo T1 • Predimensionamento degli elementi di controvento e verifica di T1 • Distribuzione planimetrica degli elementi di controvento • AZIONI VERTICALI • 10. Predimensionamentodelle travi (SLU)

12. Analisi critica della geometria: concetti di base • Obiettivo: comportamento della struttura sotto sisma“prevedibile” e “comprensibile” • Forma in pianta regolare e compatta • Simmetria di masse e rigidezze • Rigidezza e resistenza bidirezionale • Piano rigido • Elevata rigidezza torsionale per “centrifugazione” degli elementi resistenti

13. Analisi critica della geometria: concetti di base • REGOLARITA’ in pianta e in altezza • Forma in pianta regolare e compatta (L/B < 4) • Simmetria di masse e rigidezze • Sporti limitati (almeno una dimensione < 25% dela dimensione totale nella stessa direzione) • Eccenticità CR CM limitate • Rigidezza torsionale minima funzione di ls • Piano “infinitamente” rigido (soletta h = 4 - 5 - 7)

14. Meccanismi di collasso – piano debole 2003 BOUMERDES

15. Meccanismi di collasso – piano debole Terremoto del L’Aquila – 6 aprile 2009

16. Verifiche preliminari IOSIL‘HCTX NO divisione in elementi semplici mediante giunti strutturali di ampiezza adeguata

17. “IMBASTIRE” IL PROGETTO : GIUNTI STRUTTURALI

18. BARICENTRO DELLE MASSE CM RISULTANTE DEI CARICHI SUI PILASTRI RAGGIO POLARE DELLE MASSE lS L, B: DIMENSIONI IN PIANTA NEL CASO DI IMPALCATO RETTANGOLARE CARICATO UNIFORMEMENTE

19. REGOLARITA’ IN PIANTA E BARICENTRO DELLE RIGIDEZZE IL MODELLO DI PIANO RIGIDO La rigidezza alla traslazione

20. 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. Rigidezza K = forza F per uno spostamento d = 1 Modello di Muto con deformabilità a taglio Pilastri vincolati alle travi

22. RIGIDEZZE TOTALI BARICENTRO DELLE RIGIDEZZE RIGIDEZZA TORSIONALE KT =  kyi(xi - xCR)2 +  kxi (yi - yCR)2

23. REGOLARITA’ IN PIANTA Raggi “torsionali” 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: e0X / rx 0,30 e0y / ry 0,30 La struttura si considera torsionalmente rigida se: rx/y> 0,80 ls

24. ELLISSE DELLE RIGIDEZZE VARIAZIONE DELLE RIGIDEZZE INTORNO A CR

25. Regolarità in pianta e fattore di struttura Se rx = ry→ Kx = Ky →T1x = T1y 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%)

26. I dati del progetto: un architettonico in ambiente AutoCad

27. I dati del progetto: un architettonico in ambiente AutoCad

28. Verifiche preliminari: forma compatta L/B = 36,1/13,7 < 4

29. Guardare le piante! I percorsi delle forze orizzontali …… il piano è rigido?

30. REGOLARITA’ E DISPOSIZIONE ELEMENTI RESISTENTI VERIFICA PRELIMINARE CON ELLISSE DELLE RIGIDEZZE E ANALISI DELLE INTERFERENZE

31. Dall’architettonico: filo carpenteria e fili fissi pilastri Le dimensioni pilastri non sono importanti Servono loro posizione e fili fissi

32. “Imbastire” la struttura: solai Individuazione campi e orditura solai Dimensioni travi non importanti

33. I 10 passi del progetto preliminare • scelte preliminari • 1. Analisi critica della “geometria” complessiva • 2. Materiali e tipologia strutturale • AZIONI VERTICALI • Analisi carichi verticali: pesi propri G1, permanenti portati G2, variabili Qk • Predimensionamento solai (SLE) • Aree di carico di competenza di travi, pilastri, setti e nuclei (CACD) • Predimensionamento degli elementi verticali (SLU) • AZIONI SISMICHE • Stima del periodo T1 • Predimensionamento degli elementi di controvento e verifica di T1 • Distribuzione planimetrica degli elementi di controvento • AZIONI VERTICALI • 10. Predimensionamentodelle travi (SLU)

34. Quale è la vita “nominale” ? 2005  2007 2004  2008 l’ italiano Sudtirol… l’efficiente Lombardia…

35. La vita “nominale” delle strutture 1959  1971 1975  2000 il sabaudo Piemonte

36. Classi di esposizione ambientale

37. Classi di esposizione ambientale, copriferrio, scelta del calcestruzzo

39. PRESCRIVERE LA DURABILITA’

40. Comunicare con il disegno la prescrizione dei materiali

41. I 10 passi del progetto preliminare • scelte preliminari • 1. Analisi critica della “geometria” complessiva • 2. Materiali e tipologia strutturale • AZIONI VERTICALI • Analisi carichi verticali: pesi propri G1, permanenti portati G2, variabili Qk • Predimensionamento solai (SLE) • Aree di carico di competenza di travi, pilastri, setti e nuclei (CACD) • Predimensionamento degli elementi verticali (SLU) • AZIONI SISMICHE • Stima del periodo T1 • Predimensionamento degli elementi di controvento e verifica di T1 • Distribuzione planimetrica degli elementi di controvento • AZIONI VERTICALI • 10. Predimensionamentodelle travi (SLU)

42. Dimensionamentoaltezzasolai EC2: f = 1/500 leff leff = 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

43. Il coefficiente k Per geometria e carico q assegnati, una mensola di 2 m ha la stessa inflessionemassima di una trave appoggiata di (2/0,57) = 3,52 m

44. Altezzasolai • Per una zona di solaio • - con tipologia strutturale univoca (a T, a piastra ecc.) • caricata con gli identici carichi G1 G2 e Qk • - che si vuole abbia lo stesso spessore (altezza h) • l’ALTEZZA dipende dalla geometria del campo • per cui è massima la “lunghezza normalizzata” ln

45. Altezzasolai Quanto vale l’altezza h? E’ correttoassumere h = ln /25 sempre e comunque? Cosa fare se…. icarichiG1G2o Qkoppure letipologiestrutturali (sezionedunque J) varianodazona a zonadisolaio?

46. Verifica a deformazionesolai

47. Carichi G: “stratigrafie” di muri e solai

48. I solaida“rossi”…… h = 20 cm

49. Aumentando h diventano“verdi” h = 23 cm

50. SPESSORE DEI SOLAI E AREE DI CARICO