29/03/2011 Jacques Heyman Direttore del dipartimento di ingegneria a Cambridge fra il 1983 e il 1992 The Stone Skeleton, Cambridge University Press, 1982 Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Criteri strutturali e strutture in muratura 1 Resistenza (sopportazione delle sollecitazioni) Tipicamente le sollecitazioni massime in strutture in muratura sono 10‐20 volte inferiori alla resistenza del materiale (salvo picchi estremamente localizzati) grazie alla notevole dimensione delle sezioni resistenti. 2 Rigidezza (limitazione le deformazioni) Le deformazioni e gli spostamenti (esclusi, in alcuni casi, quelli provocate da cedimenti delle fondazioni) sono in genere estremamente contenuti. 3 Stabilità (mantenimento della configurazione di equilibrio) In molte strutture in muratura è questo il criterio di progettazione più stringente. Non tanto nei confronti di fenomeni di instabilità euleriana (dato che si tratta di elementi in genere piuttosto tozzi) quanto nei confronti di meccanismi simili a quelli di ribaltamento (v. esempio). 4 Duttilità (deformabilità plastica prima della rottura) Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 1 29/03/2011 Esempio Il progetto di un blocco di altezza prefissata su di un piano di inclinazione prefissata è esclusivamente geometrico (scelta della larghezza b), ipotizzando di escludere lo scivolamento grazie, per esempio, ad una sede scavata nel piano. 2b b h tan 2h Prima del ribaltamento resistenza e deformabilità non sono un problema u0 id adm P Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Picchi di tensioni locali solo a ribaltamento incipiente causati dalla forza concentrata 2bcr 2h id ,loc P Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 2 29/03/2011 Dalle proporzioni geometriche alla resistenza Le regole geometriche di proporzioni, fondate soprattutto sull’esperienza e su canoni estetici, sono state alla base della progettazione di edifici in muratura sin dall’antichità (con esempi prominenti in Antico Egitto, Grecia e Regni Ellenistici), nel mondo romano, nel Medioevo e per tutto il Rinascimento. Fra i primi Galileo propose il concetto di resistenza (nei “Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze”, 1638, dove discute proprio la resistenza dei materiali e la dinamica). QR NR QR h L h h QR N R QR L N R 2 2L NR Con la formula di Navier abbiamo in realtà: N bh 2 h QR L admW R QR N R 6L bh 6 Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Strutture iperstatiche Per “risolvere” le strutture iperstatiche dobbiamo introdurre i concetti di deformabilità e di legame costitutivo. Se vale l’ipotesi di elasticità lineare si applica il teorema di Kirchhoff sull’unicità della soluzione. Tuttavia l’idea di conoscere lo stato di sollecitazione effettivo di una struttura è illusorio. Infatti la soluzione è fortemente dipendente dalle condizioni al contorno… 6 Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 3 29/03/2011 In strutture iperstatiche piccole variazioni delle condizioni al contorno producono grandi variazioni nelle sollecitazioni q a L a Mq = qL2/12 M = 6EJ/L2 L = 100 cm a = 10 cm = 0.002 kgf/cm3 E = 400000 kgf/cm2 q = 2.0 kgf/cm Mq = 1670 kgf cm = 0.01 cm M = 2000 kgf cm 7 Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Non è possibile conoscere lo stato effettivo di una struttura I cedimenti vincolari sono inevitabili ma non prevedibili in maniera accurata e, d’altra parte influenzano grandemente la soluzione. È impossibile conoscere lo stato “effettivo” di una struttura! Teoria plastica “Se due strutture molto simili che differiscono per piccole imperfezioni e sono dunque in stati tensionali molto diversi fra loro, vengono caricate progressivamente fino al collasso, il valore del carico ultimo nelle due strutture sarà lo stesso” • Per questo nell’analisi limite delle strutture ci interessano i carichi ultimi e non lo stato della struttura (tensioni ammissibili). • Il progetto elastico funziona nei materiali duttili perché se la struttura è verificata in una certa condizione, una condizione di poco variata darà sollecitazioni diverse ma lo stesso carico ultimo. • NB. Materiali fragili necessitano infatti di vincoli isostatici. Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 8 4 29/03/2011 Muratura Caratteristiche del materiale: • Non omogeneo • Anisotropo • Non isoresistente (resistenza a trazione trascurabile) • Non lineare (anche in compressione) • Parametri meccanici fortemente dispersi (o incogniti) • c.c. di difficile determinazione Materiale complesso: il comportamento su larga scala è fortemente influenzato da quello della microstruttura (geometria dei blocchi, interazioni fra blocchi e letti di malta, ecc.) MOLTI MODELLI DISPONIBILI Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Modello di Heyman Ipotesi: 1) Assenza di resistenza a trazione • La malta, quando presente, si deteriora nel tempo • L’ipotesi è comunque a favore di sicurezza 2) Resistenza a compressione infinita • Ci possono essere schiacciamenti locali ma in genere non causano effetti globali • È interessante stimare la resistenza di un materiale come l’altezza massima di una colonna: h = fc/ = 400 kgf cm‐2 / 0.002 kgf cm‐3 = 2 km 3) Assenza di scorrimento • La compressione è necessaria per attivare la resistenza per attrito • È un’ipotesi che talvolta deve essere verificata a posteriori Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 5 29/03/2011 Esempio: effetto dei pinnacoli nell’aumentare la resistenza per attrito Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II “Master safe theorem” Per l’ipotesi di non resistenza a trazione, la curva delle pressioni deve essere interamente contenuta nella geometria della struttura. Teorema: “La struttura è stabile sotto un certo carico se e solo se è possibile trovare una funicolare dei carichi interamente contenuta nella geometria della struttura.” Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 6 29/03/2011 Corollario 1: Lesioni che non alterano sostanzialmente la geometria non compromettono la stabilità La struttura stava in piedi prima delle lesioni Esiste una funicolare dei carichi interamente contenuta nella geometria della struttura La geometria non è variata in modo sostanziale La struttura è ancora stabile Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II S. Maria del Fiore: quadro fessurativo principale zona di trazione Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 7 29/03/2011 Corollario 2: “teorema dei 5 minuti” Una struttura in muratura che appena tolte le centine sta in piedi per 5 minuti (dopo la rimozione delle centine), resterà in piedi per 500 anni (decadimento dei materiali). In realtà le fondazioni possono avere anche grandi cedimenti che alterano la geometria della struttura tanto da comprometterne la stabilità. Il teorema diventa allora “dei 20 anni” con riferimento ai tempi dei cedimenti viscosi del terreno. Tuttavia esiste un’altra eccezione: le condizioni del terreno possono cambiare (e.g. variazioni del livello dell’acqua nelle falde). Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Corollario 3: I modelli in scala funzionano Poiché la stabilità dipende solo dalla geometria una variazione di scala non altera le proporzioni e di conseguenza la stabilità. Contrariamente, dove la verifica dipende dalla resistenza i modelli in scala non sono significativi. Verifica: ft > = P / A = a3 / d2 = a3/d2 d (raddoppiando la scala raddoppiano gli sforzi!) a a Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 8 29/03/2011 Catenaria inversa (Hooke, 1675) La forma di una fune che sostiene il proprio peso in trazione è la stessa dell’arco ideale che sostiene il proprio peso in compressione. La forma dipende dalla lunghezza della fune e dalla distanza delle imposte. Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Un arco incastrato (iperstatico) contiene infinite curve delle pressioni corrispondenti al proprio peso • Il solo equilibrio non è sufficientee a determinare quale sia quella effettiva. • La soluzione elastica (Navier, 1826) è unica (Teorema di Kirchhoff) tuttavia è fortemente dipendente dalle condizioni al contorno. Una possibile curva delle pressioni in un arco semicircolare Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 9 29/03/2011 Movimenti fra blocchi I blocchi non possono scorrere l’uno sull’altro né compenetrarsi, dunque sono possibili solo rotazioni rispetto ai punti di contatto all’intradosso o all’estradosso che si comportano allora come cerniere. Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Fessurazione dovuta al cedimento delle imposte Le fessure si formano sempre (anche se nella realtà possono essere richiuse dalla deformazione elastica dei blocchi). Si forma un arco a tre cerniere: esiste soluzione isostatico basata sul solo equilibrio La curva delle pressioni è univocamente determinata e passa per le zone di contatto. Spinta orizzontale minima e indipendente dall’entità del cedimento. Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 10 29/03/2011 Cerniera all’intradosso (fessurazione con schiacciamento) cerniera effettiva cerniera ideale Il punto di rotazione relativa effettivo è in realtà arretrato interno all’arco che si comporta come se avesse uno spessore inferiore Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Arco semicircolare: spinta attiva e passiva Allontanamento delle imposte V Avvicinamento delle imposte (ad esempio a causa della spinta di archi adiacenti) V Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 11 29/03/2011 Arco di spessore minimo Esiste un’unica curva delle pressioni interamente contenuta nella geometria dell’arco. La spinta massima e minima coincidono. tmin ≈ R/10 È possibile definire un fattore di sicurezza basato su proporzioni geometriche: t/tmin > 2 Le regole di progettazione basate sulla geometria ritornano! Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Rapporto fra spessore minimo e raggio per un arco circolare in funzione dell’angolo di apertura Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 12 29/03/2011 Collasso di un arco semicircolare sottoposto ad un carico concentrato Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Modello meccanico • Corpi rigidi separati da interfacce deformabili • Azioni normali: letti di molle non resistenti a trazione • Azioni di taglio: comportamento elastico – perfettamente plastico (attrito alla Coulomb) • Piccole deformazioni delle interfacce NI y n vn x m I sI un I Gn MI rI VI CI CI vm um Gm 2bI [Salvatori e Spinelli, 2007] Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 13 29/03/2011 Esempio 1: Arco con forza concentrata Confronto con modello analitico [Lucchesi, Padovani, Pasquinelli, Zani, 1997] Carico critico Pcr 1.6580W Posizione delle cerniere al collasso 1 15 2 60 3 105 R 4m Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Modello numerico Parametri del modello costitutivo kn 1.0 1012 N/m 3 k t 1.0 1017 N/m 3 c 0.0 N/m 2 0.6 Discretizzazione in conci di 5° Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 14 29/03/2011 Simulazione P Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Analisi statica Effetto del peso proprio P.p. + carico concentrato (config. a collasso incipiente) • Buona stima del carico critico (‐1.5% rispetto al modello teorico) • Corretta stima della posizione delle cerniere (15°, 60°, 105°, 145°) Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 15 29/03/2011 Effetto di un cedimento vincolare P.p. + cedimento + carico concentrato (config. a collasso incipiente) P.p. + cedimento La presenza del cedimento non influenza il carico critico né il meccanismo di collasso Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Diagramma carico‐spostamento 5 7 x 10 6 P [N] 5 4 3 2 1 0 fixed abutments settled abutment 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 [m] 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 • Iniziale chiusura delle fessure dovute al cedimenti • Stesso andamento e stesso carico critico del caso con vincoli non cedevoli Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 16 29/03/2011 Sollecitazioni dovute al peso proprio (analisi elastica lineare) Vincoli perfetti min ≈ –1.5·102 kN/m2 Cedimento vincolare min ≈ –1.5·104 kN/m2 1 cm “Small initial imperfections, while leading to different initial states of the structure, do not affect its ultimate strength” – Jacques Heyman Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Il materiale di riempimento collabora al meccanismo resistente esercitando pressioni sull’arco vero e proprio, aumentando così la capacità portante Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 17 29/03/2011 Volte e cupole ARCHI VOLTE E CUPOLE • 1D • Inversione dei carichi di una fune infinitamente flessibile • Una configurazione della fune è in equilibrio solo con il carico che la ha prodotta • 2D • Inversione dei carichi di una membrana infinitamente flessibile • Una configurazione della membrana (se a doppia curvatura) è in grado di sostenere carichi differenti da quelli che la hanno prodotta purché non producano tensioni principali di compressione Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Cupola semisferica sotto peso proprio a • Il peso proprio è l’azione dominante per gusci in muratura • La stabilità, anche per gusci resistenti a trazione, non è un problema cr kE t a Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 18 29/03/2011 Membrana sferica Nj Nq N jq N jq Nq Nj sollecitazioni membranali coordinate sferiche Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Tensioni lungo i meridiani Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 19 29/03/2011 Tensioni lungo i paralleli Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Risultati analitici Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 20 29/03/2011 Fessurazione di una calotta sferica Dopo la fessurazione ciascuno spicchio si comporta come un arco rampante: • Nascono spinte orizzontali • È necessario uno spessore minimo della muratura Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Arco piano a spessore variabile Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 21 29/03/2011 Studio di Poleni (1743) per la cupola di S. Pietro a Roma Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Rapporto fra spessore minimo e raggio per una calotta sferica in muratura in funzione dell’angolo di apertura Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 22 29/03/2011 Calcolo della spinta orizzontale H ≈ 0.196 W Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II St. Paul a Londra (progettato nel 1668) Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 23 29/03/2011 Pantheon a Roma Spessore del tamburo di circa 6 m per contrastare le spinte orizzontali Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Una calotta sferica in muratura non necessita di coronamento… Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 24 29/03/2011 … contrariamente ad un arco Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Iglù Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 25 29/03/2011 Cupola di S. Maria del Fiore a Firenze Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Una semi‐calotta è stabile (se ha uno spessore minimo) Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 26 29/03/2011 Tensioni scambiate fra le due metà di una semisfera Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Semi‐calotta usata come controvento in alternativa o combinazione con volte Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 27 29/03/2011 Hagia Sofia a Istanbul Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II Se una semicupola è stabile lo è anche una qualsiasi frazione compresa fra metà e l’intero Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 28 29/03/2011 Hagia Sofia nel 986 e 1346 In due occasioni è crollata una semicupola, facendo crollare un quarto della cupola principale e lasciando in piedi gli altri tre quarti. Paolo Spinelli e Luca Salvatori – Corso di Progetto e Riabilitazione delle Strutture II 29