Previsioni Normative, Progettazione e modellazione di edifici realizzati con sistemi
costruttivi a pannelli portanti basati sull’impiego di blocchi cassero e calcestruzzo
debolmente armato gettato in opera.
Previsioni Normative sulle costruzioni in
calcestruzzo debolmente armato
Prof. Ing. Walter Salvatore
Università di Pisa
Dipartimento di ingegneria civile ed industriale
Edifici a pareti estese debolmente armate
Definizione:
Edifici realizzati con sistemi costruttivi a pannelli portanti estesi in cemento armato gettato in opera a bassa
percentuale di armatura o ad essi assimilabili. Tali sistemi devono essere caratterizzati da uno sviluppo esteso a
buona parte del perimetro della pianta strutturale ed essere inoltre dotati di idonei provvedimenti per garantire la
continuità strutturale così da produrre un efficace comportamento scatolare.
17 Settembre 2014
Previsioni Normative sulle costruzioni in calcestruzzo debolmente armato
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Aspetti normativi
Si fa riferimento alla Normativa Tecnica per le Costruzioni (DM 14-01-2008) e relativa circolare
applicativa (Circ n° 617 2-2-2009) per la definizione di:
• Azioni di calcolo
• Combinazioni delle azioni
• Coefficienti parziali di sicurezza
• Criteri di verifica dei componenti strutturali
Alle NTC 2008 devono essere affiancate le
Linee guida per sistemi costruttivi a pannelli portanti basati sull’impiego di blocchi cassero
e calcestruzzo debolmente armato gettato in opera
al cui interno sono contenuti
• Riferimenti teorici e sperimentali
• Indicazioni progettuali e costruttive
da applicare agli edifici realizzati con sistemi costruttivi a pannelli portanti basati sull’impiego di
blocchi cassero e calcestruzzo debolmente armato gettato in opera.
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Contenuti
• Comportamento strutturale delle principali tipologie di pareti in C.A.
• Pareti snelle
• Pareti tozze
• Aspetti normativi inerenti le verifiche di pareti a comportamento duttile
• Pareti in C.A. debolmente armate
• Criteri progettuali per strutture in C.A. con pareti debolmente armate
(NTC2008 e Linee Guida)
– Scelta dei materiali
– Regolarità strutturale
– Fattore di struttura
– Definizione delle azioni di calcolo
– Combinazione delle azioni
• Verifiche nei confronti degli SLU e SLE secondo NTC2008 e Linee Guida
• Test e prove sperimentali:: Linee guida per sistemi costruttivi a pannelli portanti
basati sull’impiego di blocchi cassero e calcestruzzo debolmente armato gettato in
opera
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Comportamento strutturale delle
Principali tipologie di pareti in C.A.
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Generalità
Negli edifici in cemento armato, molto spesso il ruolo di trasferire le azioni sismiche è affidato alle
pareti di taglio.
Il maggior vantaggio dell'inserimento di pareti è il significativo aumento della rigidezza laterale
dell'edificio, a cui consegue:
•
una riduzione degli effetti del secondo ordine e quindi un aumento della sicurezza nei
confronti del collasso;
• le pareti, inoltre, anche in fase di estesa fessurazione, mantengono gran parte della capacità
portante dei carichi verticali, cosa che non sempre accade per i pilastri.
La maggior rigidezza del sistema strutturale
• rende minima l'influenza negativa che i pannelli di tamponamento possono avere sul
comportamento globale dell'edificio,
• protegge gli elementi secondari dal danneggiamento, il che comporta un notevole vantaggio
economico in termini di costi di riparazione,
• e tende a minimizzare gli effetti psicologici sulle persone.
Un ulteriore vantaggio è che il comportamento degli edifici con pareti è generalmente più affidabile
di quello di edifici composti di soli telai; questo grazie al fatto che le cerniere si formano nelle travi e
non nelle pareti, in particolare se queste sono state progettate secondo le regole del capacity design.
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Comportamento monotono e ciclico delle Principali tipologie di Pareti in C.A.
Comportamento
Monotono:
Pareti
progettate secondo le moderne normative
presentano un comportamento notevolmente
duttile a fronte di carichi monotoni: in prove di
laboratorio, si è potuta rilevare una duttilità,
espressa in termini di spostamento in sommità,
dell'ordine di 10. Si è inoltre osservato che la
resistenza flessionale di una parete è
scarsamente influenzata dall’armatura d’anima
che tuttavia incrementa notevolmente la
duttilità globale dell’elemento.
Comportamento ciclico: Il fattore che maggiormente contribuisce a definire il comportamento
ciclico di una parete è il rapporto di snellezza altezza/lunghezza hw/lw.
• Pareti molto snelle, hw/lw≥2, se correttamente progettate e realizzate, sono caratterizzate da
comportamento duttile e da modalità di crisi tipo flessione, simile a quello delle travi.
• All’opposto, nelle pareti poco snelle o tozze il fattore maggiormente caratterizzante è il taglio,
specialmente la possibilità di crisi per scorrimento da taglio.
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Principali Meccanismi di collasso di strutture a pareti snelle (h/b>3)
Requisito fondamentale nella progettazione di pareti in C.A. soggette ad un’azione orizzontale :
• Resistenza a flessione
• Deformazione plastica
• Dissipazione energetica
Devono essere controllate dallo snervamento in cerniere plastiche chiaramente definite ed individuate, cercando di
inibire i meccanismi di rottura fragili o caratterizzati da una ridotta duttilità.
Seismic design of Reinforced concrete and Masonry buildings, T.
Paulay, Priestley
Rottura per taglio-scorrimento
Rottura per taglio diagonale
Snervamento delle barre verticali in
corrispondenza
della
cerniera
plastica (al piede della parete)
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Comportamento strutturale di pareti snelle
Relativamente alla possibilità di instabilizzazione fuori piano delle
pareti snelle, si osserva che, nelle sollecitazioni cicliche ampiamente in
campo plastico, all'inversione del carico le lesioni apertesi al piede della
parete possono non richiudersi. In questa situazione di parziale contatto,
anche un piccolo momento flettente fuori piano può provocare una
notevole eccentricità dello sforzo assiale con la possibilità di sbandamento
fuori del piano, particolarmente nelle sezioni sottili di forma semplice.
Requisito fondamentale delle pareti snelle è
garantire un’adeguata dissipazione di energia in
corrispondenza della formazione della cerniera
plastica al piede:
• Garantire adeguato confinamento
• Evitare rottura di tipo fragile per taglio
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Comportamento strutturale di pareti snelle
La duttilità in curvatura, µφ, può essere stimata
secondo il metodo generale; occorre tener
conto del corretto legame σc-εc per le diverse
parti della sezione della parete, poiché il grado
di confinamento è diverso alle estremità, che
sono staffate, rispetto all’anima. Comunque,
tale stima della duttilità risulta alquanto
grossolana, poiché il comportamento è
notevolmente influenzato dalla presenza del
taglio.
Infine, per la valutazione della duttilità in
termini di spostamento, µδ, il problema della
stima della lunghezza equivalente della cerniera
plastica è ancora più complesso che non per gli
elementi lineari.
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Pareti Tozze h/b<3
Negli edifici bassi, comunemente si trovano pareti di taglio di altezza anche inferiore alla lunghezza. Queste conferiscono alla
struttura una notevole rigidezza, da cui deriva un basso periodo proprio. Tali strutture durante l'evento sismico si trovano a
compiere un numero di cicli maggiore e quindi, se le deformazioni in campo plastico sono elevate, il degrado cumulativo risulta
maggiore.
A causa delle dimensioni trasversali, non possono essere progettate per dissipare efficacemente energia tramite una
cerniera plastica alla base.
Per questo motivo e per il fatto che nelle pareti tozze di solito si verifica la crisi per taglio, il fattore di struttura assunto in caso di
presenza di pareti tozze è più basso che non per analoghi edifici con pareti snelle.
Principali tipologie di Pareti tozze
1. Muri Elastici
2. Rocking Wall
3. Muri Duttili
Caso Frequente: Resistenza a flessione >> Resistenza a Taglio
Possibile rottura a taglio ritenuta accettabile solo nel caso in cui la risposta dell’intera
struttura richieda una duttilità limitata.
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Pareti Tozze: Meccanismi di Resistenza a Taglio
Meccanismi di Resistenza a Taglio nelle Pareti Tozze,
Englekirk 2003
• Collasso per trazione lungo la diagonale: si
manifesta quando l’armatura a taglio orizzontale
è insufficiente.
Differenti modalità di collasso per trazione lungo la diagonale
• Collasso per compressione lungo la diagonale: quando l’armatura a
taglio orizzontale è sufficiente, si può avere il collasso per compressione
lato calcestruzzo, lungo la diagonale.
Seismic design of Reinforced concrete and Masonry buildings, T. Paulay, Priestley
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Pareti Tozze: Meccanismi di Resistenza a Taglio
• Taglio-scorrimento (sliding Shear): quando i meccanismi precedenti non si generano, si può
avere scorrimento per eccessivo snervamento delle barre verticali al piede della parete. Dopo un
certo numero di cicli di spostamento, a seguito di un notevole snervamento delle armature
verticali, lo scorrimento può avvenire alla base o lungo le fessure. Si ha così un percorso di taglio
continuo e pressoché orizzontale.
L’inserimento di armatura diagonale
che
attraversa
il
piano
di
scorrimento, migliora notevolmente
la risposta della parete riducendo il
meccanismo di sliding Shear.
Seismic design of Reinforced concrete and Masonry buildings, T. Paulay, Priestley
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Pareti Tozze: comportamento ciclico
Sola armatura verticale ed orizzontale:
Il comportamento ciclico è governato dal Taglioscorrimento:
• Incremento dello spostamento per effetto del
danneggiamento del calcestruzzo e dello snervamento
delle barre in corrispondenza della base del muro
• Notevole riduzione dell’azione orizzontale a seguito
del danneggiamento
Aggiunta di armatura diagonale:
• Incremento in termini di resistenza
• Riduzione del danneggiamento e della perdita di
resistenza
• Cicli isteretici più stabili
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Definizione di normativa (EN1998 1-1 NTC2008)
Si definisce parete un elemento strutturale caratterizzato in ciascun tratto da un rapporto tra dimensione massima
lw e dimensione minima bw in pianta lw/bw > 4. Le pareti possono avere sezione orizzontale composta da uno
(parete semplice) o piu (parete composta) segmenti rettangolari. Pareti semplici possono avere appendici con
lw/bw ≤ 4. Le pareti composte da piu segmenti rettangolari collegati o che si intersecano (sezioni a L, T,
U o simili) devono essere considerate unità intere, che consistono di una o piu anime parallele, o
approssimativamente parallele, alla direzione della forza di taglio sismica agente e di una o piu flange normali o
approssimativamente normali ad essa.
Principali verifiche da eseguire:
• Resistenza (pressoflessione e taglio)
• Duttilità
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Verifica a Pressoflessione di pareti a comportamento duttile (EN1998 1-1 NTC2008)
pareti snelle : sia in CD”A” sia in CD”B”, la domanda in termini di momenti flettenti lungo l’altezza della parete
e ottenuta per traslazione verso l’alto dell’inviluppo del diagramma dei momenti derivante dai momenti forniti
dall’analisi; l’inviluppo può essere assunto lineare se la struttura non presenta significative discontinuità
in termini di massa, rigidezza e resistenza lungo l’altezza. La traslazione può essere assunta pari ad hcr
(altezza della zona inelastica dissipativa di base).
Diagramma di progetto del momento flettente
ℎ
ℎ
= max( ;
=
ℎ
2ℎ
ℎ
2
6)
≤6
≤7
Per le pareti estese debolmente armate, occorre limitare le tensioni di
compressione nel calcestruzzo per prevenire l’instabilità fuori dal piano. Se il
fattore di comportamento q e superiore a 2, si deve tener conto della domanda in
forza assiale dinamica aggiuntiva che si genera nelle pareti per effetto
dell’apertura e chiusura di fessure orizzontali e del sollevamento dal suolo.
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Verifica a Taglio di pareti a comportamento duttile (EN1998 1-1-NTC2008)
La verifica a taglio deve essere condotta tenendo in considerazione il possibile incremento delle
sollecitazioni di progetto a seguito della formazione della cerniera plastica alla base della parete; il
taglio di calcolo andrà amplificato di un opportuno fattore che dipende da:
• Coefficiente di sovraresistenza,
• Rapporto MEd/MRd
• Fattore di strutture
• Periodo proprio di vibrazione dell’edificio nella direzione dell’azione sismica
Inoltre, nel caso di strutture miste, il taglio nelle pareti snelle deve tener conto delle
sollecitazioni dovute ai modi di vibrare superiori, considerando un opportuno inviluppo del
diagramma del taglio
Controlli ulteriori riguardano lo scorrimento nelle
zone dissipative, per verificare le modalità di
trasmissione del taglio con diversi meccanismi:
• Effetto spinotto
• Presenza di armature inclinate alla base (va
considerato l’incremento della resistenza a
flessione che modifica il valore del taglio di
progetto)
• Contributo di resistenza per attrito
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Pareti in C.A.: Comportamento e principali tipologie
Verifica di duttilità di pareti a comportamento duttile (EN1998 1-1-NTC2008)
La capacita in duttilità di curvatura può essere
calcolata, in termini di fattore di duttilità in
curvatura µf, come rapporto tra la curvatura fu
cui corrisponde una riduzione del 15% della
massima resistenza a flessione – oppure il
raggiungimento della deformazione ultima del
calcestruzzo e/o dell’acciaio – e la curvatura
convenzionale fyd di prima plasticizzazione quale
definita
Contributo del confinamento nella verifica di duttilità
Nelle sole regioni di estremità della sezione trasversale, dette
“elementi di bordo”, si può tener conto, nel calcolo della capacita,
dell’effetto del confinamento purché congiuntamente all’espulsione dei
copriferri al raggiungimento, in essi, della deformazione ultima di
compressione del calcestruzzo non confinato (0,35%)
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Comportamento strutturale di
pareti in C.A. realizzate con blocchi
cassero
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Pareti in C.A. realizzate con blocchi cassero
Pareti realizzate con blocchi cassero
•
•
•
•
I blocchi cassero vengono disposti sfalsati tra una fila e l’altra
È garantita la formazione di tiranti compressi quale meccanismo resistente a taglio
È garantito il passaggio delle armature verticali
Le armature orizzontali sono posate in appositi alloggi realizzati nel blocco cassero
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Pareti in C.A. realizzate con blocchi cassero
Pareti realizzate con blocchi cassero: Organizzazione delle armature
Possibili distribuzioni dell’armatura a flessione
Concentrata agli
estremi
Uniforme
Se N<< rispetto a M e T, non si ha un’eccessiva riduzione della duttilità in curvatura, nel caso di armatura
disposta uniformemente su tutta la sezione della parete. Tuttavia si ha un incremento della resistenza flessionale
nella zona compressa e di resistenza a taglio per attrito e per effetto perno (fondamentali nella resistenza per
attrito).
Filare A
•
•
Filare B
•
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Sole armature verticali
Disposizione dei blocchi sfalsata che
garantisce la formazione diagonali
compresse
quale
meccanismo
resistente a taglio
In ogni caso la percentuale di
armatura orizzontale e verticale
dovrà essere superiore a 0.20%.
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Pareti in C.A. realizzate con blocchi cassero
Pareti realizzate con blocchi cassero: Comportamento ciclico (Prove realizzate
presso EUCENTRE)
• Dimensioni del muro 3x3m e 4x3m
• Carico Assiale Variabile
• Prove condotte con percentuale di armatura verticale e orizzontale variabile
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Pareti in C.A. realizzate con blocchi cassero
Pareti realizzate con blocchi cassero: Comportamento ciclico (Prove realizzate
presso EUCENTRE) muro 3x3m
Meccanismo di collasso:
• Distacco della base della parete dalla fondazione che
causa un improvviso degrado di resistenza,
stabilizzandosi poi una valore residuo di resistenza
senza più degradare..
• In campo elastico la risposta è dettata quasi
esclusivamente dallo spessore di 15cm del
calcestruzzo.
I blocchi cassero offrono un incremento
di rigidezza inferiore al 10% nel ramo di
risposta elastica. In campo plastico,
l’incremento di rigidezza offerto dai
blocchi cassero si può ritenere
trascurabile.
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Pareti in C.A. realizzate con blocchi cassero
Pareti realizzate con blocchi cassero: Comportamento ciclico (Prove realizzate
presso EUCENTRE) muro 4x3m
Carico assiale N=200kN
Carico assiale N=400kN
All’aumentare del carico assiale, si ha un
incremento della carico orizzontale che il
muro
può
sopportare.
Tuttavia
il
danneggiamento per taglio-scorrimento e per
schiacciamento del cls riduce notevolmente la
duttilità della parete.
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Criteri progettuali per strutture in
C.A. con pareti debolmente armate
(NTC2008 e Linee Guida)
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Comportamento strutturale delle Pareti in C.A
Edifici a pareti estese debolmente armate: definizione NTC 2008 e verifiche
strutturali
Definizione secondo Norme tecniche delle Costruzioni NTC 2008 (§7.4.3.1)
Una struttura a pareti è da considerarsi come struttura a pareti estese debolmente armate se, nella
direzione orizzontale d’interesse, essa ha un periodo fondamentale, calcolato nell’ipotesi di
assenza di rotazioni alla base, non superiore a TC, e comprende almeno due pareti con una
dimensione orizzontale non inferiore al minimo tra 4,0m ed i 2/3 della loro altezza, che nella
situazione sismica portano insieme almeno il 20% del carico gravitazionale.
•
•
•
Si segue l’approccio contenuto nelle NTC08 per le strutture in Cemento Armato
– Garantire la sicurezza nei confronti del
• Collasso (SLU)
• Della prestazione di servizio (SLE)
• Della durabilità nel corso della vita nominale
Si fa quindi riferimento alle NTC2008 per quanto riguarda
– Azioni di calcolo
– Combinazioni delle azioni
– Coefficienti parziali di sicurezza
Le apposite Linee Guida forniscono ulteriori dettagli inerenti la scelta del materiale e la definizione dei dettagli
costruttivi
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Criteri Progettuali
Comportamento strutturale d’insieme
•
Deve essere garantito un comportamento strutturale di tipo scatolare:
– Adeguato ammorsamento tra gli elementi di connessioni parete-parete a T, a L e a croce,
parete-solaio e parete-fondazione
• Utilizzo di appositi blocchi cassero che garantiscano la continuità del getto
• Incrementare del 50% la lunghezza di sovrapposizione delle barre d’armatura
– Cordolo all’altezza del solaio di sufficiente rigidezza per poter distribuire tutta l’azione
orizzontale lungo tutta la parete
– Solaio considerabile infinitamente rigido in pianta:
• Realizzare una soletta di spessore maggiore di 4cm in calcestruzzo armata con rete
elettrosaldata
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Criteri Progettuali
Comportamento strutturale d’insieme
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Criteri Progettuali
Comportamento strutturale d’insieme
Distribuzione delle masse
Nel caso di piano rigido, definite le masse sismiche come
=
+ ! + "! #$
Si definisce la posizione del centro di massa
%&' =
∑) ') %)
∑) ')
*&' =
∑) ') *)
∑) ')
Si affidano al centro di massa due masse, una traslazionale (Mt) e una rotazionale (Mr):
+, = ∑) ')
+ =
-! ./!
∑) (')
!
+ ') 0!) )
Dove:
• Mi è la massa del solaio i-esimo
• Ai e bi sono le dimensioni del solaio i-esimo
• Di è la distanza tra il baricentro del solaio iesimo e il centro di massa
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di
mi
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Criteri Progettuali
Comportamento strutturale d’insieme: Definizione delle dimensioni equivalenti
Le Linee Guida (§7.2) stabiliscono
Agli spessori nominali delle porzioni di calcestruzzo gettato in opera si applicano le stesse limitazioni
previste dalle Norme Tecniche vigenti per il caso delle pareti in c.a. Lo spessore equivalente del pannello può essere
calcolato, in prima istanza, diffondendo nella lunghezza della base b del pannello le aree del calcestruzzo Aci gettato in opera, ossia
con la relazione
=
1&,344
/
essendo Ac,eff = ΣAci pari alla totale area del c
alcestruzzo gettato in opera nella sezione trasversale.
Inoltre in accordo con prove sperimentali condotte da parte
dell’EUCENTRE, è possibile modificare la rigidezza in base
allo Stato Limite considerato:
• SLU: si riduce K al 20% dell’iniziale per tenere in
considerazione i fenomeni fessurativi dovuti a taglio e
flessione;
• SLE: riduzione di K al 50% dell’iniziale.
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Criteri Progettuali
Comportamento strutturale d’insieme
Distribuzione delle rigidezze
Nel caso di piano rigido, definite le masse sismiche come
5) =
$463%,)
.$
$463%,) =
-76) ,)
Si definisce la posizione del centro di rigidezza
%&= =
∑) $) %)
∑) $)
8 9:&,344
;<)
*&= =
$
-76) ,)
=
1&,344
;
∑) $) *)
∑) $)
In fase di dimensionamento, note le entità dell’azione orizzontale nelle due direzioni Ex ed Ey, sarà
quindi possibile valutare l’entità dell’azione di taglio su ciascun elemento strutturale:
>?,@ =
AB
∑) $) %)
>,C,,? + +,,?
$D %D
∑) $) %!)
>E,@ =
AB
∑) $) *)
>,C,,E + +,,E
$D *D
∑) $) *!)
Dove:
• Vtot,x e Vtot,y sono rispettivamente il taglio di piano in x e in y
• Mtx e Mty sono gli effetti del eccentricità, sia quella accidentale
secondo norma sia quella dovuta alla differenza di posizione tra
centro di massa e centro di rigidezza
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Criteri Progettuali
Metodi di Analisi
• Analisi statica lineare:
– Applicabile se T1,struttura<min(2,5Tc; Td) e se la struttura è regolare in altezza
• Analisi lineare dinamica:
– si considerano tutti i modi di vibrare con massa partecipante superiore al 5% e
comunque un numero di modi la cui massa partecipante totale sia superiore
all’85%. L’effetto di ciascun modo può essere combinato utilizzando la
combinazione CQC:
9 = (∑F ∑@ GF@ 9F 9@ ) /!
– Dove:
Ei ed Ej sono gli effetti del modo i-esimo e del modo j-esimo
Pij sono i coefficienti di combinazione, funzione dello smorzamento e dei periodi
di vibrazione dei modi i-esimo e j-esimo
• Modelli non-lineari (Push-over e dinamica non-lineare) possono essere utilizzati a
patto di utilizzare modelli costitutivi di comprovata validità
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Analisi strutturale di edifici a pareti in cls debolmente armato
Definizione dell’azione sismica (§7.3.5 NTC2008)
Se gli effetti dell’azione sismica sono calcolati mediante analisi LINEARE (statica o
dinamica):
• Si calcolano gli effetti separatamente gli effetti in ciascuna direzione (x,y,z)
• Si combinano gli effetti nel seguente modo
1.00Ex±0.30Ey±0.30Ez
Alla quale si dovranno aggiungere gli effetti torsionali di piano (direzione x e y)
Le azioni sismiche si combinano alle azioni indotte
dai carichi permanenti, portati e dai carichi
accidentali utilizzando la seguente espressione:
9+
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+
!
+ "! #$ + "!! #$! +…
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Analisi strutturale di edifici a pareti in cls debolmente armato
Scelta del fattore di struttura q0
Modalità di collasso di una parete in C.A. debolmente armato
• Flessione
• Taglio (trazione, compressione o scorrimento)
Modalità di collasso di tipo fragile, ma anche la più frequente nelle pareti Tozze.
LIMITATA DUTTILITA’ DELLA STRUTTURA
I = IJ ∙ 5L ∙ 5M
Dove (valori secondo NTC2008 e linee Guida):
• qo è il fattore di struttura non maggiore di 2
• KR è un fatto riduttivo che tiene conto della regolarità strutturale (1 se regolare, altrimenti 0.8);
N
• KS Fattore di sovraresistenza NO(1.2 per struttura regolare in pianta, altrimenti 1.1)
P
Tali valori sono stati validati con opportuni modelli numerici, calibrati attraverso prove sperimentali,
N
da parte dell’EUCENTRE. In aggiunta, hanno stimato che il rapporto O possa essere assunto pari a:
NP
17 Settembre 2014
Previsioni Normative sulle costruzioni in calcestruzzo debolmente armato
Prof. Ing. Walter Salvatore
Analisi strutturale di edifici a pareti in cls debolmente armato
Scelta del fattore di struttura q0 (prescrizioni secondo EUCENTRE)
Tali valori sono stati validati con opportuni modelli numerici
tridimensionali il cui comportamento non lineare è stato
calibrato attraverso prove sperimentali, da parte
dell’EUCENTRE. In aggiunta, hanno stimato che:
•
Fattore di struttura qo
• 1.60 per edifici monopiano in bassa duttilità
• 2.30 per edifici pluripiano in bassa duttilità
N
• 2.00 O per edifici monopiano in alta duttilità
•
•
NP
2.60 per edifici pluripiano in alta duttilità
Il fattore di sovraresistenza è stimato seguendo le
NTC2008
NO
•
=1.0 per strutture con solo due pareti non
NP
•
•
accoppiate in direzione orizzontale
NO
=1.1 altre strutture a pareti non accoppiate
NP
NO
NP
=1.2 strutture a pareti accoppiate o miste
equivalenti a pareti
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Analisi strutturale e modelli di calcolo
Scelta del modello di schematizzazione
Modellazione delle pareti strutturali mediante elementi bidimensionali (shell)
• PRO:
• semplicità di modellazione (corrispondenza tra struttura a pareti e modellazione mediante
elementi shell;
• È possibile cogliere le concentrazioni di sforzi (ad esempio in corrispondenza di
un’apertura);
• CONTRO:
• Bisogna definire delle sezioni critiche sulle quali integrare i risultati in termini di tensioni per
ottenere le sollecitazioni di calcolo (Sforzo normale, Taglio, Momento flettente).
• Elevato onere computazionale
Sezioni di controllo e verifica in
corrispondenza di un’apertura
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Analisi strutturale e modelli di calcolo
Scelta del modello di schematizzazione
Modellazione delle pareti strutturali mediante elementi monodimensionali (telaio
equivalente mutuata dalle strutture in muratura)
• PRO:
• Modello poco oneroso dal punto di vista computazionale.
• Semplicità nella lettura delle sollecitazioni di calcolo.
• CONTRO:
• Complessità nella definizione dei macro-elementi e nel collegamento tra di loro (necessità di
inserire link rigidi per considerare l’eccentricità tra un elemento e l’adiacente)
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Analisi strutturale e modelli di calcolo
Principali problemi nella modellazione a telaio equivalente
• Scelta della dimensione equivalente di ciascun elemento
(Dolce, 1989; Magenes et al., 2000)
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Analisi strutturale e modelli di calcolo
Principali problemi nella modellazione a telaio equivalente
• Modellazione mediante elementi monodimensionali di pareti caratterizzate da una
distribuzione irregolare delle aperture
Cordolo
Link Rigidi
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Maschio Murario
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Verifiche nei confronti degli SLU e SLE
secondo NTC2008 e Linee Guida
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Criteri e metodi di verifica
Verifiche agli SLU-SLE
Tutti i componenti strutturali devono essere verificati
nei confronti dei possibili meccanismi di collasso che si
possono generare. In particolare per le pareti si dovrà
porre particolare attenzione alle seguenti verifiche agli
SLU:
1.
Pressioneflessione deviata;
2.
Compressione Media;
3.
Instabilità
4.
Verifiche a taglio (si assume il minore dei tre):
a)
Taglio Compressione
b) Taglio-trazione
c)
Taglio scorrimento
Per pareti estese debolmente armate il taglio ad
ogni piano può essere ottenuto amplificando il
taglio derivante dall’analisi del fattore (q+1)/2;
• Le verifiche agli SLE possono considerarsi
soddisfatte quando il drift d’interpiano dell’intera
struttura rientra nei limiti
Q ≤ 0.002 ∙ ℎ
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Agli stati limite ultimi si usano i legami
costitutivi s-e secondo NTC2008:
Calcestruzzo
Acciaio
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Verifiche agli SLU
Pressoflessione deviata e Verifica a compressione Media
La verifica può essere condotta seguendo due approcci:
• Approccio semplificato:
– Si conducono due distinte verifiche a pressioflessione retta, riducendo però il
momento resistente MRd del 30%
+TU,F ≤ 0.7 ∙ + U,F VTU
• Si definisce il dominio di resistenza (+WU,? , +WU,E , VWU ) e si verifica che ogni terna di
valori (+TU,? , +TU,E , VTU )
Per tutte le pareti, la forza normale di compressione non
deve eccedere rispettivamente il 40% in CD”B” e il 35% in
CD”A” della resistenza massima a compressione della
sezione di solo calcestruzzo.
Per le pareti estese debolmente armate occorre limitare le
tensioni di compressione nel calcestruzzo per prevenire
l’instabilità fuori dal piano e un eccessivo schiacciamento del
calcestruzzo alla base, limitando la snellezza della zona
terminale, considerata come pilastro isolato
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Ned=40%
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Verifiche agli SLU
Verifica di stabilità
Come prescritto all’interno delle NTC08 al fine di prevenire i fenomeni di instabilità fuori piano si
dovrà rispettare la seguente limitazione X ≤ X6)' = Y. Z
• ]^F_ snellezza limite
a
• ` = bc
[
\
de ∙fec
• C è un coefficiente che dipende dalla distribuzione dei momenti fuori piano
jkP
g = 1.7 − _
_ =j
kl
+02
+01
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+02
Instabilità fuori dal suo piano medio di una parete
+01
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Verifiche agli SLU
Verifica a taglio-compressione e taglio-trazione §4.1.2.1.3.2 e §7.4.4.5.2.2 NTC2008
Taglio-trazione
Taglio-compressione
1np
4 & 7q + & 7r n)8q
n *0
& 7q + & 7r
= J. o0/p q& 4′&0
+ & 7! t
mL,n0 = J. o0
mL,&0
Dove:
• Asw è l’area dell’armatura trasversale
• s è l’interasse tra due armature trasversali consecutive
• a è l’angolo d’inclinazione dell’armatura trasversale rispetto all’asse della trave
• f ’cd è la resistenza a compressione ridotta del calcestruzzo d’anima (f ’cd=0.5fcd)
• ac è un coefficiente maggiorativo che tiene conto del livello di compressione cui è soggetto il calcestruzzo
Per rispettare le prescrizioni contenute nel capitolo 7, le verifiche sotto azioni sismiche dovranno rispettare le
seguenti limitazioni:
• Braccio delle forze interne pari all’80% dell’altezza della sezione
• Inclinazione del puntone compresso in calcestruzzo pari a 45° (cotgq=1)
• Controllare che il rapporto as = MEd (VEd ×lw )<2; altrimenti andranno rispettate le limitazioni:
>TU ≤ >WU, + 0.75 v wEU,v x y
v wEU,v x C z ≤ { wEU,{ x z + min(VTU )
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Verifiche agli SLU
Verifica a taglio-scorrimento
In corrispondenza dei potenziali piani di scorrimento posti all’interno delle zone critiche (ad esempio
alla base delle pareti, nelle riprese di getto o nei giunti costruttivi) deve risultare che il taglio
sollecitante sia inferiore al taglio-scorrimento resistente, valutato come la somma di tre contributi:
• Vdd contributo dell’effetto spinotto
• Vid contributo delle armature inclinate presenti alla base
• Vfd contributo delle armature verticali
>WU, = >UU + >FU + >fU
>UU = ~
1.3∑€
@
w U wEU
0.25wEU ∑€
@
>FU = wEU ∑€ F •‚ƒ„F =0
>fU = ~
Nei sistemi a pareti in C.A realizzati con
blocchi cassero, non si inseriscono armature
diagonali
…f [ ∑€ @ wEU + VTU ‡ +
0.5ˆw U ‡
x
C
+TU
z
Dove:
• ΣAsj è la somma dell’area delle barre verticali dell’anima o di barre posizionate negli elementi di
estremità aggiunte all’uopo;
• ΣAsi è la somma dell’area delle barre inclinate (angolo ϕ). Si raccomandano diametri grandi;
• η = 0,6(1-fck/250) con fck espresso in MPa;
• µ è il coefficiente d'attrito, che sotto azioni cicliche può essere posto pari a 0.60;
• ξ =x/(lw) è l'altezza della parte comressa della sezione normalizzata.
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Test e prove sperimentali:
Linee guida per sistemi costruttivi a
pannelli portanti basati sull’impiego di
blocchi cassero e calcestruzzo
debolmente armato gettato in opera
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Linee Guida
Criteri Generali
I sistemi costruttivi a pannelli portanti basati sull’impiego di blocchi cassero e calcestruzzo
debolmente armato gettato in opera devono essere caratterizzati da uno sviluppo esteso a buona parte del
perimetro della pianta strutturale ed essere inoltre dotati di idonei provvedimenti per garantire la continuità
strutturale così da produrre un efficace comportamento scatolare.
[…]
Per ogni sistema costruttivo, comprendente un tipo particolare di pannello, dovrà essere studiata e proposta una
procedura di verifica della sicurezza ai diversi stati limite, basata su criteri consolidati e sui risultati della
sperimentazione specifica.
[…]
Il sistema costruttivo deve essere caratterizzato dal punto di vista strutturale mediante
prove sperimentali di adeguata numerosità, nello spirito delle Norme tecniche vigenti, al
fine di dimostrare un efficace comportamento degli elementi portanti nei confronti delle
azioni verticali e orizzontali anche cicliche.
Viene definito un totale di 6 tipologie di prove al fine di ottenere
un’adeguata caratterizzazione meccanica del sistema strutturale in esame
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Linee Guida
Prove sperimentali: Tipo 1
Prova tipo
Caratteristiche
prototipi
1
Porzione di
pannello
(1m x 1m)
Scopo della prova
Valutazione dei
moduli elastici
Applicazione dei
carichi
Protocollo di
prova
Numero di
prototipi
Compressione
assiale centrata
Pseudo-Statico,
Monotono
2
Compressione
diagonale
Pseudo-statico,
Monotono
2
b=1m
b=1m
h=1m
h=1m
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Linee Guida
Prove sperimentali: Tipo 2
Prova
tipo
Caratteristiche
prototipi
Scopo della prova
Applicazione
dei carichi
Protocollo di
prova
Numero di
prototipi
2
Pannelli senza aperture
h=altezza interpiano
b>1m
Valutazione del carico di
collasso per instabilità
locale e globale del
pannello
Compressione
assiale centrata
Pseudo-Statico,
Monotono
2
b>1m
h
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Linee Guida
Prove sperimentali: Tipo 3
Prova
tipo
3
Caratteristiche prototipi
Pannelli
senza
aperture
h=altezza
interpiano
b>1m
17 Settembre 2014
Senza apertura (b/h=1 e
b/h=4/3)
Con porta (b/h=1 o
b/h=4/3)
Con finestra (b/h=1 o
b/h=4/3)
Scopo della prova
Valutazione di:
• Resistenza
• Capacità di
spostamento
• dissipazione
Applicazione
dei carichi
Compressione
assiale costante
e carico
orizzontale nel
piano del
pannello
Previsioni Normative sulle costruzioni in calcestruzzo debolmente armato
Protocollo di
prova
Numero di
prototipi
2 per ogni
rapporto di
forma
Pseudo-Statico,
Ciclico
(orizzontale)
2
2
Prof. Ing. Walter Salvatore
Linee Guida
Prove sperimentali: Tipo 4
Prova
tipo
3
Caratteristiche prototipi
Porzioni di
connessioni
(almeno un
metro di
sviluppo lineare
di connessione)
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Scopo della prova
Applicazione
dei carichi
Protocollo di
prova
Valutazione
dell'efficienza
dei vincoli
Compressione
assiale costante
e
momento
applicato alla
connessione
Pseudo-Statico,
Ciclico
(orizzontale)
ad L
aT
Previsioni Normative sulle costruzioni in calcestruzzo debolmente armato
Numero di
prototipi
2
2
Prof. Ing. Walter Salvatore
Linee Guida
Prove sperimentali: Tipo 5 (opzionale)
Prova
tipo
3
Caratteristiche prototipi
Pannelli in
scala reale
h=altezza
interpiano,
b>3m
(b/h=1 o
b/h=4/3)
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Senza apertura (b/h=1 e
b/h=4/3)
Con porta (b/h=1 o
b/h=4/3)
Con finestra (b/h=1 o
b/h=4/3)
Scopo della prova
Applicazione
dei carichi
Protocollo di
prova
Numero di
prototipi
Valutazione della
resistenza fuori
piano del
pannello.
Interazione
collasso nel
piano e collasso
fuori dal piano
Compressione
assiale costante
e combinazione
di carichi nel
piano e fuori
dal piano
Pseudo-Statico,
Ciclico
(orizzontale)
2 per ogni
rapporto di
forma
Previsioni Normative sulle costruzioni in calcestruzzo debolmente armato
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Linee Guida
Prove sperimentali: Tipo 6 (opzionale)
Prova
tipo
Caratteristiche
prototipi
Scopo della prova
Applicazione dei
carichi
Protocollo di prova
Numero di
prototipi
3
Edificio o porzione
di edificio in grande
scala o scala reale
Verifica
dell’insieme e delle
ipotesi di progetto
Edificio o
porzione di
edificio a 2 o più
piani
Pseudo-Statico o pseudo-Dinamico
Ciclico o Dinamico (tavola vibrante)
1o2
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Documentazione tecnica
e
Verifiche di Qualità in opera del Manufatto
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Documentazione tecnica: Criteri secondo Linee Guida
Dovrà essere cura del Produttore predisporre e rendere disponibile la seguente
documentazione (§8 Linee Guida):
• Scheda tecnica;
• Dettagli Costruttivi;
• Certificazione delle prove;
• Relazione interpretativa;
• Esempi di calcolo;
• Manuale Progettuale, costruttivo e di montaggio
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Documentazione tecnica: Scheda Tecnica
Scelta dei Materiali Linee Guida+NTC08: Blocchi Cassero e calcestruzzo
ELEMENTI BLOCCHI CASSERO come previsto dal sistema costruttivo:
•
•
•
•
•
Garantire adeguato livello qualitativo in fase di montaggio
Assenza di fuori piombo
Assenza di vuoti nel getto
Corretta sovrapposizione delle armature verticali ed orizzontali
Devono essere in possesso delle norme
• EN 15435:2008: Prodotti prefabbricati di calcestruzzo ‐ Blocchi cassero di calcestruzzo normale e
alleggerito ‐Proprietà e prestazioni dei prodotti
• EN 15498:2008: Prodotti prefabbricati di calcestruzzo ‐ Blocchi cassero di calcestruzzo con trucioli di
legno ‐ Proprietàe prestazioni dei prodotti
• ETAG 009: Guideline for European Technical Approval of Non load‐bearing permanent shuttering
kits/systems based on hollow blocks or panels of insulating materials and sometimes concrete. Edition
June 2002.
CALCESTRUZZO:
• Max diametro inerte 16mm
• Classe di fluidità S4 (slump test) per sopperire
all’eventuale carenza di vibrazione
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Documentazione tecnica: Dettagli Costruttivi
Al fine di garantire il corretto comportamento strutturale d’insieme di un sistema a
pannelli portanti basati sull’impiego di blocchi cassero e calcestruzzo debolmente armato
gettato in opera, il Produttore dovrà fornire in apposite schede illustrative i seguenti
dettagli costruttivi:
• Disposizione delle armature di parete (orizzontale e verticali);
• Collegamento tra parete e fondazione;
• Collegamento tra parete e cordoli di piano;
• Collegamento tra pareti ad angolo (collegamento ad L);
• Collegamento tra pareti ortogonali (collegamento a T e a Croce);
• Architravi;
• Dettagli costruttivi in prossimità delle aperture;
• Elementi di accoppiamento delle pareti.
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Documentazione tecnica
Certificazioni e Manuale Progettuale
CERTIFICAZIONI: devono riguardare le prove sperimentali precedentemente illustrate
e contenute all’interno del §2 delle Linee Guida.
MANUALE PROGETTUALE, COSTRUTTIVO E DI MONTAGGIO:
1.
2.
Descrizione del sistema costruttivo;
Modalità di messa in opera del sistema;
a) Corretta messa in opera (verticalità, orizzontalità e planarità di ciascuna parete);
b) Controllo della corretta sovrapposizione delle barre e del copriferro;
c) Modalità di esecuzione dei getti di calcestruzzo e controllo in laboratorio della
resistenza minima del calcestruzzo (seguendo le regole delle NTC2008) e della
classe di consistenza
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Conclusioni
•
•
•
•
•
•
•
I sistemi costruttivi a pannelli portanti basati sull’impiego di blocchi cassero e calcestruzzo debolmente armato
gettato in opera manifestano un comportamento tipico delle pareti tozze;
Le capacità dissipative di questo sistema costruttivo è fortemente condizionato dal Pinching;
Si seguono i criteri progettuali forniti dalle NTC2008, tenendo in considerazione il contenuto
delle Linee Guida ove necessario;
L’impossibilità di inserire barre d’armatura diagonali per incassare le sollecitazioni taglianti
impone la definizione di specifici dettagli costruttivi (contenuti nelle Linee Guida) inerenti la
lunghezza di ancoraggio delle barre d’armatura, percentuale minima di armatura verticale ed
orizzontale;
Il comportamento del sistema a pareti deve essere validato e certificato a monte dal Produttore
attraverso un’apposita campagna sperimentale;
Si possono seguire due modalità di modellazione di tali sistemi: mediante elementi bidimensionali
oppure con un sistema di elementi monodimensionali (telaio equivalente mutuata dalle strutture
in muratura);
È consigliabile l’utilizzo di calcestruzzi fluidi (classe di consistenza S4), così da limitare le
operazioni di vibratura del getto (difficoltà nel raggiungere la base di ciascuna parete).
17 Settembre 2014
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