Appunti secondo modulo Progetto in zona sismica - Parte 2

]V

questo caso l’incremento di carico rispetto a quello calcolato precedente che porta alla crisi l’elemento

teso inclinato si ottiene come: ]V [ GHI GHI

' 8

]V & che si applica e che porta alla crisi l’elemento puntone compresso

Poi si ha l’incremento di carico & e per la tangente dell’angolo, anche questo

orizzontale e che vale l’altezza del puntone per la base per

deriva dalla condizione di equilibrio espressa dal poligono di forze:

]V 0,2% # !

& & ]V & deve risultare maggiore del

Anche in questo caso si impone che la resistenza del puntone compresso

]V

valore che porta alla crisi l’elemento teso .

La capacità portante globale della mensola provvista dei 2 ordini di armatura può calcolarsi, a partire dal

contributo di ciascun meccanismo resistente, come:

V , 0,8]V

V &

considerando un contributo aggiuntivo dell’armatura inclinata ridotto del 20%. Sostanzialmente la capacità

portante complessiva, nell’ipotesi di compresenza di entrambi i meccanismi (sia dell’armatura orizzontale al

lembo superiore che dell’armatura inclinata) è valutato come indicato sopra.

Per contenere l’entità della fessurazione occorre in ogni caso disporre un’adeguata staffatura.

Plinti a bicchiere

Dopo aver visto il progetto e il dimensionamento delle mensole tozze su cui si appoggiano le travi con appoggi

fissi o scorrevoli, si passa alla realizzazione dell’incastro alla base per pilastri prefabbricati; una modalità

costruttiva ricorrente è quella della realizzazione di plinti a bicchiere in cui si inseriscono delle colonne

prefabbricate.

Dall’analisi strutturale si ricava il

momento alla base, lo sforzo normale

e il taglio che la colonna deve trasferire

al plinto a bicchiere, con queste

sollecitazioni, facendo sempre

riferimento a meccanismi tirante-

puntone, si vanno a dimensionare le

pareti del plinto a bicchiere.

Questo tipo di sollecitazioni alla base, per quanto riguarda le pareti del plinto a bicchiere, si traduce con una

semplificazione, in cui la coppia alla base Msd si può tradurre in una coppia di forze F1 e F2 che agisce con

un braccio pari a 2/3 dell’altezza delle pareti del bicchiere.

In aggiunta si ha anche il taglio Vsd, quindi la forza F1 complessivamente sarà pari al taglio più la coppia alla

base divisa per il braccio della coppia interna (2h/3), mentre la forza F2 è data solo dal momento diviso per

il braccio della coppia interna:

F1 e F2 non sono esattamente delle forze concentrate, ma sono ripartite su una determinata dimensione, F1

sulla parte superiore della parete del bicchiere e F2 su quella inferiore; poi si ha anche il carico verticale.

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Quindi la forza F1 determina delle sollecitazioni di trazione nella parte superiore della parete del bicchiere,

che devono essere assorbite con adeguate armature; anche in questo caso si possono avere 2 possibili

disposizioni di armature a cui sono associati 2 meccanismi:

Si può avere una prima armatura posizionata come nella prima figura, dove la barra è l’elemento teso e quelli

tratteggiati sono i puntoni compressi e quindi si può calcolare una resistenza alla forza F1, associata a questo

meccanismo. Oppure in alternativa si può avere un’armatura orizzontale disposta nell’altro modo e un

puntone compresso diagonale come quello tratteggiato, con questo secondo meccanismo si può calcolare

un ulteriore contributo di resistenza.

Chiaramente la resistenza complessiva è quella che si ottiene come somma dei 2 meccanismi con un

ragionamento analogo a quello visto per la mensola tozza.

In aggiunta entrambi i meccanismi implicano una forza di trazione che viene trasmessa alle pareti laterali,

ovviamente l’applicazione di una forza sulla parete porta ad una forza di trazione sulle pareti laterali, che

deve essere assorbita con adeguate armature resistenti a trazione. Quindi si ha un meccanismo STRUTS and

TIES sia per la parete frontale che per quelle laterali.

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Capitolo 7 – Progetto di strutture in acciaio in zona sismica

Due terremoti relativamente recenti, che hanno messo in evidenza alcune problematiche delle strutture in

acciaio, sono il terremoto di Los Angeles nel ’94 e quello di Kobe nel ’95, gli epicentri di questi terremoti sono

occorsi in zone cittadine. Per cui questi terremoti di grande intensità hanno procurato notevoli danni, anche

su strutture in acciaio già progettate all’epoca secondo i criteri di progettazione sismica e di gerarchia delle

resistenze; per cui ci si sarebbe aspettato un miglior comportamento ma in realtà queste strutture si sono

danneggiate in modo significativo o sono addirittura crollate.

A causa di diversi aspetti i criteri di progettazione, specialmente la gerarchia delle resistenze, non hanno

tenuto conto di tutte le possibili extraresistenze che il materiale poteva mostrare nel corso della risposta

sismica; di fatto la gerarchia delle resistenze non è stata applicata correttamente.

Nelle strutture in acciaio la gerarchia delle resistenze è finalizzata prevalentemente a sovradimensionare i

collegamenti per far si che le plasticizzazioni avvengano negli elementi strutturali e che non interessino i

collegamenti; la cosa da proteggere assolutamente in una struttura in acciaio sono i collegamenti, la crisi

deve interessare gli elementi strutturali e non il collegamento, altrimenti la crisi da duttile diventa fragile.

La gerarchia delle resistenze, oltre ad assicurare il meccanismo plastico desiderato in fase di progettazione

(ad es. plasticizzazione delle travi piuttosto che delle colonne), deve anche proteggere i collegamenti delle

strutture in acciaio, come i collegamenti trave pilastro o quelli delle aste nelle strutture controventate.

In questi terremoti non sono stati protetti adeguatamente i collegamenti, perché il dimensionamento dei

collegamenti nell’ambito della gerarchia delle resistenze, viene effettuato sulla base delle resistenze degli

elementi collegati, ma se le resistenze degli elementi vengono sottostimate è chiaro che anche i collegamenti

possono andare in crisi. Infatti si è verificato proprio questo, la crisi è passata dalle zone degli elementi

strutturali adiacenti ai collegamenti stessi, si sono verificate crisi fragili dei nodi travi colonna.

Tutto ciò è avvenuto a causa di molte ragioni, che hanno portato ad una sottostima delle resistenze degli

elementi strutturali, come ad esempio per l’alta velocità di applicazione e di variazione delle sollecitazioni, in

quanto queste strutture si trovavano nella zona di epicentro; nelle strutture in acciaio questo determina un

effetto particolare di incremento di resistenza degli elementi e di riduzione della duttilità, quindi una delle

ragioni per cui gli acciai hanno manifestato resistenze superiori a quelle attese è anche questa.

Danni in recenti eventi sismici

Questi sono nodi tipici delle strutture intelaiate, sono dei nodi

realizzati con le ali delle travi saldate alle colonne e le anime

collegate con collegamenti bullonati.

• Le travi durante l’evento sismico hanno manifestato una

maggiore resistenza a causa di un’extraresistenza dell’acciaio,

dovuta alla velocità di carico elevata;

• La crisi è passata dalla trave al collegamento stesso perché non

si è tenuto conto del reale valore di snervamento dell’acciaio

della trave;

• Si è innescata la crisi in punti di concentrazione delle tensioni

o in punti più fragili come ad esempio le saldature, un punto di

innesco tipico che è stato riscontrato è la saldatura al lembo

inferiore. È indicativo che le saldature eseguite in cantiere sono

più carenti di quelle realizzate in officina, inoltre sono più difficili

da eseguire quelle inferiori; 118

Dei comportamenti analoghi sono stati riscontrati nel corso del terremoto avvenuto in Giappone nel ’95,

sempre di magnitudo elevata e che si è manifestato con epicentro in una zona cittadina, danneggiando molti

edifici in acciaio; il 63% degli edifici danneggiati in acciaio ha mostrato danni molto gravi.

Il terremoto è stato caratterizzato da un’intensità superiore a quella prevista dalla norma, si sono manifestate

elevate velocità di variazione delle sollecitazioni, questo è sempre legato al fatto che le zone epicentrali erano

nelle zone cittadine, ma si sono manifestati anche elevati valori della componente verticale del sisma.

A causa delle elevate velocità di variazione delle sollecitazioni il materiale ha manifestato una resistenza

maggiore a quella prevista in fase di progetto innalzando lo snervamento, quindi la crisi nelle strutture

controventate non ha interessato le aste (che non si sono

plasticizzate) ma ha interessato i collegamenti.

La rottura dei collegamenti è sempre da evitare per la

gerarchia delle resistenze.

Dall’altro lato, questa elevata velocità di applicazione dei

carichi ha anche determinato una riduzione della duttilità

del materiale e della sezione, con conseguente rottura

della sezione. Infine elevati valori della componente

verticale del sisma hanno anche amplificato gli effetti del

secondo ordine, legati alle variazioni di sforzo normale.

• Dei livelli di sollecitazione non previsti hanno provocato anche l’instabilizzazione dei diagonali compressi;

• La realizzazione, nell’ambito dei collegamenti, di saldature a cordoni d’angolo piuttosto di saldature a

completa penetrazione ha dato luogo a crisi nei collegamenti;

• Parti con spessori elevati hanno prodotto una crisi molto fragile.

Nei nodi trave-pilastro, si può vedere la percentuale di nodi collassati realizzati in officina e in sito, osservando

che dove le saldature sono state realizzate in sito si ha avuto una maggior percentuale di elementi collassati,

infatti si è passati dal 6,5% al 16,9% di elementi collassati.

Sicuramente la cura nell’esecuzione della saldatura è un aspetto fondamentale, infatti maggiori

problematiche si riscontrano nei collegamenti con saldatura eseguita in sito.

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Le strutture in acciaio in generale manifestano comunque un buon comportamento nei confronti dell’azione

sismica. Gli ultimi eventi sismici di grande intensità hanno però evidenziato per le strutture in acciaio, alcuni

aspetti significativi sono stati considerati poi per migliorare il livello della progettazione di strutture in acciaio:

1) È necessario attribuire a tutti gli elementi strutturali ed alle connessioni l’adeguato livello di duttilità;

2) Bisogna applicare adeguatamente il criterio della progettazione in capacità (o gerarchia delle resistenze)

per evitare il collasso dei collegamenti, questo viene fatto tramite un’opportuna stima delle resistenze attese

del materiale acciaio,