Esercitazione 2_2: Progettazione Struttura a Telaio con SAP2000

Dopo aver definito nell'esercitazione precedente, le stratigrafie dei solai e il pre-dimensionamento degli elementi strutturali, procediamo con SAP2000 verso una progettazione più approfondita che tiene conto, nel calcolo dei carichi, della rigidezza dei nodi e permette d'inserire agevolmente il carico vento e le forze sismiche. Come nell'esercitazione precedente abbiamo 2 progetti, uno per la struttura in legno e C.A, l'altra per la struttura in Acciaio:

Telaio in C.A

Posizioniamo i carichi verticali del solaio calcolati nella precedente esercitazioni in tutte le travi principali e secondarie (solo peso strutturale), ai carichi verticali si aggiungono il carico neve (0,5 KN/m^2) in copertura ed il carico vento (in una sola direzione) composto da un carico dovuto alla pressione nella facciata sopravento (0,4 KN/m^2) e alla depressione nella facciata sottovento (0,2KN/m^2)

Definiti i carichi, definiamo la sezione, le dimensioni degli elementi strutturali con i valori di predimensionamento, procediamo con il calcolo con la formula fondamentale del calcolo SLU e verifichiamo l'entità delle sollecitazioni nuove con quelle vecchie: i valori di flessione, compressione, presso/tensoflessione restituitoci dai calcoli verificano il predimensionamento dell'esercitazione precedente. 

I momenti flettenti massimi sono inferiori a quelli utilizzati per il predimensionamento, ma rispetto al dimensionamento precedente, il carico vento e la rigidezza del telaio strutturale, portano i pilastri non più in compressione ma in pressoflessione, bisogna quindi valutare i pilastri più soggetti a questo fenomeno attraverso il calcolo delle eccentricità, e comprendere se procedere con il calcolo a flessione semplice, compressione, o flessione composta. 

Proviamo l'eccentricità sui pilastri nel piano terra più sollecitati a compressione con il peso portato dalle travi principali e a flessione per il momento portato dalle travi, dalla mensola e dal carico vento. Stesso discorso per l'ultimo piano che subisce meno sforzi di compressione, ma più elevati sforzi di flessione dovuto all'entità del carico vento, che è maggiorato in base all'altezza. Un'ulteriore verifica sarà fatta poi nei pilastri interni al quarto piano.

I Valori di compressione sono gli stessi calcolati nel predimensionamento quindi nonostante il carico vento i pilastri compressi sono verificati, i pilastri inflessi vengono invece trattati come una travi, e soddisfano la verifica a flessione. I pilastri a Pressoflessione invece li ricalcoliamo attraverso un nuovo foglio Excel

Sisma:

Il sisma influisce in maniera determinatne nell progettazione strutturale in particolare in Italia, dipende da molteplici fattori ma nel nostro calcolo teniamo conto di 2 fattori, il coefficiente di sismicità (rapporto tra accellerazione sismica dovuta alla zona sismica e accellerazione gravitazionale all'incirca di 0,3) ed il peso della struttura (con coefficienti di combinazione di carico diversi per neve e vento). Il carico sismico, come il carico vento nei piani superiori, genera delle tensioni più elevate, quindi bisogna calcolare il peso per ogni piano

Il carico Sisma va posizionato al centro delle masse dell'impalcato, in questo caso dato cha abbiamo un edificio di pianta rettangolare, si tratta del baricentro.

Calcoliamo con la combinazione sismica dello SLU e tiriamo fuori i nuovi valori, diversamente dal caso precedente vediamo che gli elementi strutturali più sollecitati sono differenti, in particolare sono più sollecitati gli elementi al primo piano che subiscono elevati momenti dovuti al peso della struttura sovrastante e al carico sismico, nei piani superiori invece la flessione è data dalla elevata oscillazione dovuta alla maggiorazione del carico in altezza. I momenti flettenti delle travi sono più elevati rispetto al caso precedente, ma rispettano comunque le verifiche con impostate le dimensioni del caso precedente. riprendiamo la tabella delle eccentricità e ripetiamo il procedimento.

I momenti flettenti dei pilastri e le forze di compressione sono di nuovo inferiori ai valori di predimensionamento. procediamo con il calcolo del pilastro pressoinflesso più sollecitato

La struttura è stata riprogettata e verificata 

Legno 

Il legno come il cemento armato è un matariale anaisotropo, non essendoci su SAP dobbiamo progettare il materiale e le sezioni. Il legno è un materiale fortemente anaisotropo, quindi reagisce diversamente in molti punti dove viene sollecitato, per semplificare i calcoli, noi lo impostiamo come materiale ortotropo.

Le strutture in legno sono decisamente più leggere rispetto a quelle in calcestruzzo ed in acciaio, e hanno prestazioni non invidiabili

Procediamo come fatto nel cemento con la combinazione fondamentale degli SLU con neve e vento e verifichiamo il predimensionamento.

Verifichiamo il valore dei momenti flettenti ed anche in questo caso le dimensioni imposte nel predimensionamento sono verificate con buon esito. procediamo con il calcolo della pressoflessione servendoci della formula di Navier, prendiamo due valori di pressoflessione, uno con il momento flettente più elevato, l'altro con la compressione più elevata.

La verifica è soddisfatta

Sisma:

Le strutture lignee hanno il pregio di essere molto leggere e quindi di ridurre in amniera significativa i carichi sismici.

Definiamo la combinazione SLU sismica e torniamo a verificare la struttura, i momenti flettenti soddisfano nuovamente la verifica a flessione, lo stesso vale per la compressione. La Pressoflessione però in molti punti ha subito degli aumenti, in particolare dei momenti, verifichiamo come in precedenza 2 pilastri, quello con compressione più elevata e quello con momento più elevato.

le dimensioni di partenza sono state rispettate.

Acciaio

La struttura in acciaio è rispetto a quella precedente ha delle luci maggiori poichè sfrutta la duttilità dell'acciaio che è in grado di coprire grandi luci con sezioni modeste

Procediamo come in precedenza con la combinazione fondamentale degli SLU con neve e vento e verifichiamo il predimensionamento. Le strutture in acciaio sono particolarmente sensibili al vento, infatti i momenti rispetto al predimensionamento risultano maggiorati, ma non al punto da cambiare le sezioni inflesse delle mensole e della trave principale, la compressione invece risulta maggiorata ed è necessario aumentare la sezione dei pilastri da HEB 240 a HEB 260.

Verifichiamo come in precedenza le pressoflessioni con momento e compressioni più elevati

Sisma:

L'acciaio è un materiale che permette strutture molto leggere se rapportate alle luci coperte

Dopo la combinazione sismica SLU, abbiamo dei nuovi dati, la flessione e la pressoflessione degli elementi nel piano primo è notevolemente aumentata e porta a cambiare le sezioni dimensionate in precedenza: 

Stesso discorso per i pilastri pressoinflessi da un HEB260 a HEB400

Nonostante l'acciaio sia un materiale molto duttile, il rischio che con i fenomeni esterni quali sisma, vento e neve i momenti e le instabilità a compressione si accentuino in maniera rilevante è concreto, ingrandire eccessivamente le luci può portare ad utilizzare sezioni per il dimensionamento abbastanza estese.