Appunti Tecnica delle costruzioni con laboratorio progettuale

APPUNTI DI

“LABORATORIO DI PROGETTAZIONE STRUTTURALE”

PROF. Mario De Stefano _ A.A. 2020/2021

Studentessa: Letizia Panetta

Modulo di Tecnica delle costruzioni

Professore: Mario De Stefano →

Testo consigliato: “Strutture in cemento armato”, Hoepli, Milano 2008 (Cosenza, Manfredi, Pecce) Non

indispensabile ai fini dell’esame in quanto troppo dettagliato e complesso

Programma riassuntivo _ Tecnica delle costruzioni

• L’architettura in relazione al rischio sismico (pp. 2-16)

• Conferenza “Il materiale muratura e i modelli fisico-matematici” (pp. 17-21)

• Criteri di progettazione in zona sismica (pp. 22-26)

• Conferenza “Meccanismi di collasso e di rottura di pareti ed edifici in muratura” (pp. 27-30)

• Conferenza “Le cattedrali gotiche” (pp. 31-32)

• Progettazione antisismica delle strutture in calcestruzzo armato (pp. 33-38)

• Le caratteristiche del calcestruzzo e dell'acciaio (pp. 39-45)

• Stati Limite Ultimi per le tensioni normali e momento flettente (pp. 46-59)

• Analisi strutturale (pp. 60-66)

• Strutture in acciaio (pp. 67-70)

• Risposta sismica delle costruzioni in acciaio (pp. 71-75)

• Domande d'esame (pp. 76-78)

Tecnica delle costruzioni _ Mario De Stefano Lezione n.1 _ 26/02/2021

L’architettura in relazione al rischio sismico

Introduzione al corso

Sono molteplici i materiali attualmente utilizzati nell’edilizia; in Italia la maggior parte degli edifici sono realizzati

in calcestruzzo armato, perciò, il corso si concentrerà maggiormente sul calcestruzzo e sull’acciaio analizzando

in principio le loro caratteristiche.

Un ulteriore tema affrontato dal corso sarà l’analisi strutturale con le basi apprese dalla scienza delle costruzioni

(metodo delle forze, metodo degli spostamenti). Si considera però che nella scienza delle costruzioni è ancora

possibile effettuare i calcoli “a mano” perché i gradi di iper-staticità sono pochi, in questo caso i gradi di iper-

staticità aumentano ed è necessario utilizzare il metodo matriciale o degli strumenti di calcolo.

Le norme attuali richiedono delle prestazioni strutturali specifiche per ogni tipo di struttura. Le prime norme

pretendevano che le strutture di nuova costruzione non arrivassero al collasso ma, via via che le norme vengono

aggiornate, viene richiesto agli edifici una prestazione sempre maggiore, ovvero l’essere danneggiati il meno

“stati

possibile (ad esempio in caso di terremoti). Per rispettare la norma vengono svolte delle valutazioni sugli

limite”, ovvero per ogni condizione di funzionamento la struttura deve fornire determinate risposte prestazionali.

Per le strutture ordinarie gli stati limite da considerare sono due:

→

• Stato limite ultimo dimensione del collasso

→

• Stato limite di servizio dimensione del danneggiamento ma non del collasso

Per le strutture speciali, oltre a questi stati limite ne vanno considerati degli altri aggiunti. In sintesi, potremmo

dire che nell’esempio di un terremoto violento, alle strutture ordinarie viene richiesto di non collassare, mentre

alle strutture speciali (es. ospedale) viene richiesto anche di continuare a funzionare.

Il comportamento sismico dei sistemi architettonici

Le statistiche degli ultimi

25 anni che interessano le

catastrofi naturali (terremoti,

uragani, inondazioni, ecc.)

mostrano dei dati significativi

in termini di persone colpite

e vittime di questi eventi.

L’evento naturale “killer”

è il terremoto, in quanto

proporzionalmente rispetto

alle persone colpite, il numero

di vittime è altissimo (1,38%

delle persone colpite, contro

le inondazioni ad esempio

che apportano uno 0,014% di

vittime).

Il terremoto è così pericoloso

perché non è possibile

prevederlo con certezza per

poter prevenire i danni. 3

Tecnica delle costruzioni _ Mario De Stefano Lezione n.1 _ 26/02/2021

1. La pericolosità sismica è stata studiata e monitorata negli anni per essere graficizzata in mappe sismiche che

fanno da guida per la progettazione.

2. La vulnerabilità sismica è il fattore sul quale il progettista deve lavorare, ovvero è necessario progettare edifici

i cui danni in caso di terremoto sono minimi, ovvero bisogna cercare di abbassare il più possibile la vulnerabilità

sismica degli edifici che verranno realizzati.

3. L’esposizione sismica è strettamente relazionata alla destinazione d’uso, ad esempio se un edificio è aperto/

accessibile solo in alcune ore della giornata allora l’esposizione sismica sarà minore rispetto a un edificio

accessibile tutto il giorno; un altro fattore che influisce è l’affollamento oppure ancora il valore dei beni contenuti

all’interno della struttura.

La prevenzione sismica costituisce l’unica strategia efficace per ridurre il rischio sismico. A incidere sulla

prevenzione sismica sono le risorse economiche, le normative tecniche, la diffusione della cultura “antisismica”

e l’aggiornamento professionale di chi lavora nel campo edilizio.

Analizzando i dati globali

degli ultimi anni vediamo

che in Italia, rispetto ad

altri Paesi, per terremoti

di magnitudo 7.0 o

superiore, si registrano

un alto numero di vittime.

Ogni grado di magnitudo

equivale a un’energia

rilasciata maggiore

o minore di circa 30

volte rispetto al grado

precedente o successivo.

Il Giappone, ad esempio è uno Stato che investe molto nella prevenzione sismica, abbassando molto la

vulnerabilità rispetto all’altro grado di pericolosità sismica.

Il buon comportamento sismico di una

costruzione in zona sismica dipende

in maniera fondamentale dal livello

di integrazione della progettazione

architettonica, tecnologica e

strutturale, considerando che un ruolo

fondamentale è quello dei dettagli

costruttivi.

Inoltre si può aggiungere che la

mancata o carente prevenzione

sismica comporta comunque dei

costi in termine di vite umane e

di finanze necessarie nello stato

d’emergenza segnato dal terremoto.

Con la prevenzione perciò, sebbene

ci sia un costo iniziale si punta a un

“guadagno” futuro.

Vulnerabilità sismica degli edifici residenziali in calcestruzzo armato

CARATTERI DEL PATRIMONIO EDILIZIO ITALIANO

• Forte espansione a partire dagli anni ’60 (boom edilizio). Il patrimonio edilizio in Italia aumenta vertiginosamente

→

nel dopoguerra 10.7 milioni di abitazioni nel 1951 contro i 19.7 milioni di abitazioni raggiunte nel 199

• Le città crescono rapidamente estendendo i loro confini in una sorta di big bang edilizio allargando le loro

periferie e in alcuni casi inglobando comuni limitrofi

→ →

Sviluppo incontrollato delle città speculazione edilizia abusivismo

• Uno sviluppo così veloce e a bassi costi ha portato alla realizzazione di edifici di scarsa qualità

Il calcestruzzo utilizzato presenta spesso resistenze più basse del necessario

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Tecnica delle costruzioni _ Mario De Stefano Lezione n.1 _ 26/02/2021

L’esperienza dei terremoti passati suggerisce alcune fonti di vulnerabilità degli edifici moderni:

Configurazione morfologica o Configurazione degli elementi e/o Dettagli costruttivi

irregolarità irregolarità della interazioni tra la parte strutturale e

→ Danneggiamento del nodo “trave-

pianta dell’edificio la parte non strutturale pilastro” per mancanza di idonea

Collasso pilastri piano terra Rottura a taglio del pilastro “tozzo” staffatura

Le strutture irregolari sono una delle maggiori cause di gravi danni/collassi causati dall’azione sismica:

→

• Irregolarità in pianta distribuzione in pianta irregolare di strutture e/o masse antisismiche

→

• Irregolarità verticali massa, rigidità, discontinuità di resistenza lungo l’altezza dell’edificio

→

• Irregolarità in pianta e irregolarità verticali Alcuni elementi specifici possono arrivare al collasso precoce in

quanto viene richiesto loro una risposta sismica maggiore di quella che possono sopportare, mentre altre parti

dell’edificio non vengono sollecitate e di conseguenza non si sfrutta pienamente la capacità di reagire al sisma

dell’intero edificio.

Ad oggi ci si discosta dal progettare edifici regolari (cubi, parallelepipedi, ecc.) per diversi motivi:

La perfetta regolarità è un’idealizzazione che raramente si riscontra, a sua volta il concetto di irregolarità stesso

presenta delle sfumature. La definizione per codici si riferisce alla distribuzione di massa, resistenza e rigidezza

sia in pianta che in elevazione.

Raramente gli edifici reali soddisfano i requisiti di regolarità e sebbene anche l’irregolarità abbia dei confini non

ben definiti si può comunque distinguere in irregolarità in pianta e irregolarità in elevazione.

IRREGOLARITÀ STRUTTURALE IN PIANTA

L’irregolarità in pianta è caratterizzata da una distribuzione planimetrica degli elementi strutturali e/o delle masse

e comporta l’attivazione di un comportamento di tipo torsionale con cospicue rotazioni dei solai. Un legame

stretto tra distribuzione delle masse e distribuzione delle rigidezze elimina empie eccentricità tra centro di massa

e centro di rigidezza e dà luogo ad un comportamento traslatorio dell’edificio.

Concentrando le rigidezze strutturali su un lato o distribuendole male, otterremo una considerevole eccentricità

(distanza) tra il centro di massa CM e il centro di rigidezza CR. Tanto più grande è l’eccentricità, tanto più grande

sarà l’effetto torsionale ovvero un moto roto-traslatorio. Le parti prive di elementi strutturali si muovono più

facilmente in caso di sollecitazioni.

Più sono vicini il centro di massa MC della struttura e il centro di rigidezza MR, minore è l’effetto torsionale

causato da una possibile sollecitazione. 5

Tecnica delle costruzioni _ Mario De Stefano Lezione n.1 _ 26/02/2021

Esempi di relazione massa-rigidezza

Le piante con centro di massa e centro di

rigidezza coincidenti possono comunque

generare un effetto torsionale definito

avvitamento. In questi casi è bene pensare

di inserire degli elementi strutturali sul

perimetro.

Caso (c) dello schema confrontato alle

soluzioni preferibili, ovvero i casi (d) ed (e)

Rigidezza e resistenza torsionali

In aggiunta alla rigidezza e resistenza

laterali, le strutture devono possedere

un’adeguata rigidezza e resistenza

torsionali, al fine di limitare lo sviluppo

di moti torsionali degli impalcati

che tendono ad indurre uno stato

di sollecitazione non uniforme sugli

elementi strutturali.

Da questo punto di vista, distribuzioni

degli elementi sismo-resistenti tali

che gli elementi principali siano

collocati nelle zone perimetrali

dell’edificio presentano chiari vantaggi

(centrifugazione delle rigidezze e delle

resistenze).

Il dimensionamento dei pilatri per

carichi verticali, considerando le aree

di influenza, risulta inadeguato poiché

conduce ad una scarsa centrifugazione

di rigidezze e resistenze.

IRREGOLARITÀ STRUTTURALE IN ELEVAZIONE

L’irregolarità in elevazione dell’edificio è causata da brusche variazioni di masse, rigidezze e resistenze lungo

l’altezza dell’edificio, le quali comportano la formazione di piani soffici o deboli nei quali, a causa della

concentrazione di sforzi o di richieste di duttilità, si può innescare un collasso prematuro.

Piano terra in scarsa rigidezza Configurazione regolare in altezza

Piano intermedio in scarsa rigidezza

Gli edifici a pianta libera presentano L’irregolarità può presentarsi anche

delle irregolarità in alzato al a un piano intermedio esattamente

pian terreno, dove mancano le come per il piano terra.

tamponature rispetto ai piani

superiori. In questi casi l’irregolarità può

portare al collasso del piano

interessato, mentre il resto

dell’edificio riesce a mantenere il

comportamento scatolare.

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Tecnica delle costruzioni _ Mario De Stefano Lezione n.1 _ 26/02/2021

→

IRREGOLARITÀ STRUTTURALE & N.T.C. 2008 Aggiornamento normativo avvenuto nel 2018

Le irregolarità, sia in pianta che

in elevazione, non consentono

un’uniforme distribuzione del danno e

quindi un efficace sfruttamento delle

risorse (resistenza e duttilità) dell’intera

tecniche

struttura. Le N.T.C. (norme

per le costruzioni) 2008 penalizzano

gli edifici classificati come irregolari

attraverso la prescrizione di forze

sismiche di progetto più elevate.

Criteri di regolarità in pianta (N.T.C. 2018)

• Pianta approssimativamente simmetrica rispetto a due direzioni ortogonali e forma della pianta abbastanza

compatta; possono essere presenti delle convessità, purché la linea convessa non generi un’area maggiore

del 5% dell’area totale della pianta;

• Piante non troppo allungate: il rapporto tra i lati non devono essere maggiori di 1:4;

• I solai devono essere particolarmente rigidi, ovvero non devono presentare deformazioni trascurabili.

Criteri di regolarità in elevazione (N.T.C. 2018)

• Elementi continui dalla base alla sommità degli edifici;

• La rigidezza e la massa rimangono costanti lungo tutto l’edificio o variano gradualmente;

• I corpi arretrati non devono essere posti a distanze molto grandi.

Duttilità strutturale

Un altro fattore che incide sulla vulnerabilità

sismica è quello dei dettagli costruttivi.

Essi impattano sulla duttilità, ovvero sulla

capacità di subire dei danneggiamenti

e andare fuori dal campo elastico senza

collassare. Una struttura duttile è una

struttura che si deforma ma non si spezza.

Le strutture in zona sismica sono progettate

considerando forze decisamente più basse

di quelle che potrebbero presentarsi in

caso di evento sismico, quindi, sicuramente

durante tali eventi esse subiranno dei

danni. Dunque, il danneggiamento è

intrinseco nella norma, ma deve essere

comunque contenuto.

Meccanismi di danneggiamento di strutture in calcestruzzo armato 7

Tecnica delle costruzioni _ Mario De Stefano Lezione n.1 _ 26/02/2021

MECCANISMI GLOBALI

Meccanismo per travi forti e pilastri deboli

• Si verifica in edifici caratterizzati da travi di elevata resistenza

su pilastri di resistenza sensibilmente inferiore;

• La creazione di plasticizzazioni nei pilastri deboli

impedisce la formazione di cerniere plastiche

nelle travi più forti e determina la concentrazione

delle deformazioni anelastiche nei pilastri stessi.

In questo caso quindi gli orizzontamenti non subiscono

grandi danni a differenza degli elementi verticali che passano

dal comportamento elastico al comportamento plastico.

Accorgimenti costruttivi che possono contrastare l’insorgere

del meccanismo:

• Una buona staffatura in prossimità dei nodi che aumenti la

duttilità dei pilastri;

• Il posizionamento di tamponature forti collaboranti.

Si ritiene che l’irregolarità in pianta e/o in elevazione possano

facilitare e anticipare lo sviluppo di meccanismi di questo tipo.

Meccanismo per travi deboli e pilastri forti

Si verifica in edifici caratterizzati da travi di ridotta resistenza su

pilastri di resistenza sensibilmente superiore. Si presenta per:

Flessione delle travi Taglio delle travi Sfilamento delle armature

Un meccanismo a travi deboli Generato per assenza di adeguata Dovuto a un inadeguato ancoraggio

richiede, per determinare la labilità armatura a taglio ed accentuato delle armature longitudinali al

della struttura, la formazione di un nel caso di travi molto corte/alte. nodo.

gran numero di cerniere plastiche Le lesioni insorgono alle estremità

attraverso le quali può dissiparsi delle travi. La modalità di rottura è di tipo

una notevole quantità di energia. fragile in quanto abbatte la

La modalità di rottura a taglio resistenza a flessione delle travi.

Distribuzione delle sollecitazioni è di tipo fragile ed è quindi È la configurazione meno duttile di

→

su tutta la struttura caratterizzata da un rapido tutte.

comportamento preferibile rispetto deterioramento degli elementi

al piano soffice. strutturali e crolli improvvisi.

Sebbene la distribuzione delle

sollecitazioni interessi tutta la

struttura, la configurazione finale è

particolarmente pericolosa.

Configurazione più duttile Configurazione meno duttile

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Meccanismo per nodi deboli

• Si verifica in edifici intelaiati caratterizzati da nodi

poco resistenti rispetto alle sollecitazioni trasmesse

da pilastri e travi.

• Il collasso di più nodi determina una labilità nel telaio,

perdita di equilibrio e collasso della struttura.

In questo caso non si rompono né i pilastri né le travi

ma i pannelli nodali. È maggiormente diffuso nel caso in

cui il nodo dell’estremità o dell’angolo interessato non è

adeguatamente staffato.

Il nodo, così come ogni altra parte delle strutture in c.a.,

è costituito da due componenti, quindi si può rompere

perché è soggetto a un forte sforzo di taglio; l’acciaio

delle staffe invece può essere soggetto a svergolamento

(generalmente verso l’esterno), questo perché le

armature interne sono soggette a compressione.

Meccanismo di piano debole

Si veri