Tipologia Costruttiva e fattore di Struttura. Progetto in...
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PhD. Ing. Massimo Latour
Dipartimento di Ingegneria Civile – Università degli Studi di Salerno
Salerno, 08 Novembre 2013
Tipologia Costruttiva e Fattore di Struttura. Progetto in zona sismica.
PhD.Ing. Massimo Latour, 08.11.2013
Tipologia Costruttiva e fattore di Struttura.
Progetto in zona sismica.
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Metodi di Analisi Strutturale
Tipologia Costruttiva e Fattore di Struttura. Progetto in zona sismica.
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Analisi Lineare Analisi Non-Lineare
Statica Dinamica
(Modale)
Statica
(Pushover)
Dinamica
(Time-History) Sa
Sd
Sa
Sd d*
Tempo di Analisi
Difficoltà Modellazione
Sa
Sd
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Metodi di Analisi Strutturale
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Metodi di Analisi Lineare
Statica Lineare
Dinamica Modale
Si assume che la struttura si comporti in maniera elastica e non si assegna alcun
comportamento inelastico.
Limitata alle strutture regolari in pianta e in elevazione. Ha un limitato range di
applicabilità
E’ il metodo di calcolo normalmente adottato per le strutture nuove, applicabile
anche alle strutture irregolari, basato sulla determinazione dei modi di vibrare.
Spettro Elastico
(q = 1)
Reference Spectrum: Code Defined Spectrum
Period (sec)
21,91,81,71,61,51,41,31,21,110,90,80,70,60,50,40,30,20,1
Actu
al S
pectr
a
0,6
0,4
0,2
Spettro Inelastico
(q > 1)
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Fattore di Struttura - Definizione
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Il fattore di struttura è pari al rapporto fra lo spettro elastico e lo spettro inelastico.
Questo può essere rivisto come rapporto tra il valore dell’intensità sismica che porta
a collasso la struttura e quello che la porta al limite elastico
Spa
T
Spettro Elastico
Spettro Inelastico
Spa
Spa/q
Determinare con analisi
non-lineari
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Fattore di Struttura - Definizione
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Il fattore di struttura è il coefficiente che utilizziamo nella progettazione per ridurre le
forze ottenute da un’analisi lineare al fine di tener conto della risposta non-lineare
associata a:
• Tipologia di Sistema strutturale (A telaio, a pannelli, controventata);
• Procedure di progetto impiegate (Regole di dettaglio);
CD ‘’B’’ CD ‘’A’’ Non dissipativa
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Fattore di Struttura – NTC08
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Scarsamente-Dissipativo
Sovra-resistenza q0 < 1,5
q0<1,5 q0<1,5
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Fattore di Struttura – NTC08
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Dissipativo – Bassa Duttilità
q0=2,5
q0=2 q0=2 Regole di dettaglio CD B
Cross Lam
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Fattore di Struttura – NTC08
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Dissipativo – Alta Duttilità
q0=4
Regole di dettaglio CD A q0=5
Platform Frame
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Fattore di Struttura – NTC08
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Dissipativo – Alta Duttilità
CARENTE!!! Non sono considerate
tipologie costruttive molto diffuse.
e.g. Strutture intelaiate, fattori per
XLAM sottostimati, Blockhaus, etc.
q0=4
Regole di dettaglio CD A q0=5
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Il Legno - Dissipazione
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Vantaggi del legno in zona sismica:
• Leggerezza;
• Elevato rapporto resistenza/peso;
Difetti:
• Fragilità a trazione, flessione e taglio;
Legno netto Legno Strutturale
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Allora nel legno dove avviene la dissipazione energetica?
Per sopperire a questo comportamento fragile il mondo della ricerca ha seguito due strade.
Incremento della duttilità
modificando il materiale
Incremento della duttilità
strutturale integrando elementi
dissipativi nei collegamenti
Esempio
Legno Armato (Cattich, Gottardi, Piazza, 2003)
Rotture a taglio limitano comunque la
duttilità flessionale. Processo produttivo
complicato.
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F
d
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F
d
Fase 1. Carico fino
a d=d1
d1
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d
Fase 2. Rilascio e ricarico fino a d=0
d1
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F
d
Fase 3. Ricaricofino
a d=-d1
d1
-d1
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F
d
Fase 4. Ricarico fino a d=0
d1
-d1
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Il Legno - Dissipazione
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F
d
Fase 4. Rilascio e ricarico fino a d=0
L’aerea indica l’energia dissipata per
isteresi
(n.b.: ridotta rispetto ad una situazione
ideale di completa plasticizzazione)
Pinching
Pinching
d1
-d1
Le risorse dissipative risultano molto più
limitate rispetto ad altri sistemi costruttivi
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(Popovski, PhD Thesis, 2000)
Il Legno - Dissipazione
Scarsa capacità di dissipare energia. Bassa duttilità
Capacità dissipative limitate dal Pinching, buona duttilità.
Rottura
essenzialmente
del legno. FRAGILE
Rottura del
connettore. DUTTILE
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Regole di dettaglio
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Queste regole si possono ritenere rispettate se, nelle zone dissipative si prevede che:
• Collegamenti:
Mezzi di unione - d<12 mm
spessore minimo pannello 4d
diametro massimo dei connettori di 3,1 mm
Membrature lignee collegate sp>10d.
• Pareti con telaio in legno:
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Le tipologie Strutturali
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Con riferimento agli edifici, le tipologie strutturali più diffuse sono:
Sistemi massicci Sistemi ‘’leggeri’’
Blockhaus
(Elementi lineari) CrossLam
(Elementi piani)
Diffuso in Europa del nord
Platform Frame A telaio MRF/ controventato
Sistema più recente Prevalentemente in
Nord-America e Canada
Giappone Post & Beam
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Sistema Platform Frame
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Vantaggi del Platform Frame
• Alto rapporto resistenza/peso;
• Assemblaggio semplice in
cantiere;
• Elevatissima ridondanza
strutturale;
• Alta resistenza alle azioni
sismiche;
• Alta duttilità;
• Versatilità;
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Sistema Platform Frame
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Gesso o OSB
Angles
Hold down
SERIES Project
Tie-down
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Sistema Platform Frame
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ZONA RIGIDA
Hold-Down a
Trazione
Angolari a taglio
Graffette,
chiodi o viti
per la
connessione
di pannelli in
gessofibra o
OSB
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Prove
Università di
Trento
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Sistema Platform Frame
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La gerarchia delle resistenze, nella progettazione di questi edifici deve prevedere
che:
• Le zone dissipative sono localizzate nelle giunzioni chiodate pannello-telaio;
• Tutti gli altri elementi devono essere dimensionati per essere sovra-resistenti in
ottemperanza ai principi di capacity design;
• Il piede del pannello è rigidamente vincolato dagli angolari metallici e la
dissipazione avviene grazie alla distorsione angolare del pannello stesso;
• Bisogna evitare i meccanismi fragili quali lo schiacciamento del legno nella zona
compressa o la rottura prematura del panello in gesso o OSB;
NORMATIVA CARENTE!!!
Le uniche indicazioni fornite riguardano
i massimi diametri dei chiodi e i minimi
spessori dei pannelli
INDIETRO
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Sistema Cross Lam
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Vantaggi del Cross Lam
• Alto rapporto resistenza/peso;
• Rapidi da assemblare;
• Basso Impatto;
• Ottime caratteristiche
acustiche e termiche;
• Elevata resistenza al fuoco;
• Durabilità;
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Sistema Cross Lam
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Gli edifici in Cross-Lam sono realizzati assemblando pannelli a strati incrociati che vengono utilizzati sia
per realizzare le pareti che gli impalcati. Tutti gli elementi sono collegati con chiodi, viti ed piastre metalliche.
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Sistema Cross Lam
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Gli edifici in Cross-Lam sono realizzati assemblando pannelli a strati incrociati che vengono utilizzati sia
per realizzare le pareti che gli impalcati. Tutti gli elementi sono collegati con chiodi, viti ed piastre metalliche.
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Sistema Cross Lam
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EDIFICIO SOTTOPOSTO A PROVA SOPRA LA TAVOLA VIBRANTE DEL NIED.
X-Lam Panels
LVL joints between panels
Angles
Hold down
SOFIE Project (IVALSA)
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Sistema Cross Lam
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Hold-Down a
Trazione Angolari a
taglio
Pannello a strati
incrociati incollati
Allungamento
chiodi Hold-down
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Sistema CrossLam
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SOFIE Project (IVALSA): Prove su pannelli
(Gravic et al., 2011)
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Sistema CrossLam
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SOFIE Project (IVALSA): Prove su pannelli
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Sistema CrossLam
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PROVA SPERIMENTALE DI HOLD-DOWN
CARICATO IN TAGLIO CICLI DI ISTERESI DI UN HOLD-DOWN CARICATO A TAGLIO
Rottura dell’angolare
HO
LD
-DO
WN
A T
RA
ZIO
NE
H
OL
D-D
OW
N A
TA
GL
IO
Rottura per rifollamento dei chiodi
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30
F [k
N]
d [mm]
Hold-Down in Tension
sperimentale
-15
-10
-5
0
5
10
15
-60 -40 -20 0 20 40 60
F [k
N]
d [mm]
Hold-down in shear
sperimentale
(Gravic et al., 2011)
(Gravic et al., 2011)
SOFIE Project (IVALSA): Prove su collegamenti
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Sistemi Innovativi
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La tendenza nei sistemi più innovativi è quella di spostare la dissipazione
energetica in elementi sostituibili che non dissipino nei connettori, come nelle
strutture tradizionali.
Dissipazione nel piatto metallico
(Andreolli, 2011)
Tradizionale q=2/2,5
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Sistemi Innovativi
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XL-stub
Al fine di migliorare il comportamento ciclico delle connessioni tradizionali si è
proposto un nuovo tipo di collegamento che sostituisca l’Hold-down
Hold -Down
Patent Pending – Domanda n°MI20130222
Gruppo di Ricerca: Ing. M.Latour, Prof. G.Rizzano, Ing. G.Terrano
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Sistemi Innovativi
CICLI DI ISTERESI DI UN HOLD-DOWN CARICATO A TRAZIONE
XL-stub
L’angolare proposto si ispira ai dispositivi ADAS. E’ un angolare dissipativo progettato per plasticizzare la flangia
e per massimizzare le capacità isteretiche grazie alla sua praticolare forma ad X.
M
M \
Patent Pending – Domanda n°MI20130222
Gruppo di Ricerca: Ing. M.Latour, Prof. G.Rizzano, Ing. G.Terrano
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Sistemi Innovativi
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Al fine di mostrare le capacità del dettaglio proposto è stata pianificata un’indagine
sperimentale. Il dispositivo è stato dimensionato per avere la stessa resistanza dell’angolare
testato nell’ambito del progetto SOFIE.
Prove sotto macchina a trazione universale
Schenck Hydropuls S56
- 1 Prova monotona;
- 3 Prove cicliche ad ampiezza costante;
- 1 Prova ciclica ad ampiezza variabile
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Sistemi Innovativi
Tipologia Costruttiva e Fattore di Struttura. Progetto in zona sismica.
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PROVA SPERIMENTALE DI HOLD-DOWN
CARICATO IN TAGLIO
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
F [k
N]
d [mm]
HD-CV vs A04-XS-CV
HOLDOWN
A04-XS-CV
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Sistemi Innovativi
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Immagini Termografiche
Ciclo 0 Ciclo 3 Ciclo 6
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Sistemi Innovativi
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Allo scopo di confrontare il comportamento di un edificio ipotizzato
alternativamente realizzato con hold-down e con XL-stub è stato realizzato il
modello numerico in SeismoStruct dell’edificio di 3 piani del progetto SOFIE.
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PROVA SPERIMENTALE DI HOLD-DOWN
CARICATO IN TAGLIO
GAP GAP
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Sistemi Innovativi
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Application delle masse Accelerogrammi (Ceccotti et al., 2006)
KOBE 16/1/95 - JMA N-S 48.0S
EL CENTRO 19/5/40 - IMPERIAL VALLEY N-S 40.0S
NOCERA UMBRA 27/7/97 - NOCERA E-W 13,7S
NORTHRIDGE 17/1/94 - NEWHALL E-W 19.98S
LOMA PRIETA 18/10/89 - CORRALITOS E-W 39.98S
KOCAELI 17/8/99 - YAPI KREDI N-S 85.80S
Dynamic non linear Analyses
Lumped Mass
x=5% Dt=0.01s
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Sistemi Innovativi
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SIMULAZIONE SISMA NOCERA UMBRA 1.2g – Progetto SOFIE
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Sistemi Innovativi
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q= au/a1
Edificio con XL-Stubs
Edificio Tradizionale
Mediante il modello numerico calibrato sulle prove sperimentali è stata
effettuata una valutazione preliminare del fattore di struttura.
E’ stato eseguito un set di analisi IDA valutanto il fattore di struttura come
rapporto tra il moltiplicatore dell’accelazione di picco che porta al limite elastico
la struttura e quella che la porta al collasso.
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Earthquake building with L-stubs building with hold-downs
y u q y u q
El Centro (19/5/40, Imperial Valley, N-S, 40.0s) 0.50 2.25 4.50 0.35 1.20 3.43
Kobe (16/1/95, JMA, N-S, 48.0s) 0.45 2.10 4.67 0.35 1.15 3.20
Kocaeli (17/8/99, Yapi Kredi, N-S, 85.80s) 0.45 2.20 4.89 0.35 1.43 4.09
Loma Prieta (18/10/89, Corralitos, E-W, 39.98s) 0.55 2.70 4.91 0.35 1.05 3.00
Nocera Umbra (27/7/97, Nocera, E-W, 13.7s) 0.45 3.00 6.67 0.35 1.60 4.57
Northridge (17/1/94, Newhall, E-W, 19.98s) 0.40 2.50 6.25 0.35 0.88 2.51
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50
Kobe El centro Nocera Umbra
Northridge Loma Prieta Kokaeli
L-STUB
HOLD DOWN
XL-Stub
qmin=4.50
Hold-Down
qmin=2.51
1.8 times greater
Valutazione del fattore di struttura
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GRAZIE PER L‘ATTENZIONE!
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