Esercitazione

Esercitazione

Esercitazione 5_ arco a tre cerniere: analisi su SAP

Gli archi rientrano nella categoria di strutture che lavorano per forma e non per massa. Sono strutture spingenti, che ottimizzano al meglio il materiale lavorando a sforzo normale, molto efficaci nel superamento di grandi luci

ARCO CIRCOLARE ISOSTATICO A TUTTO SESTO:

Dopo aver disegnato l'arco su autocad e averlo importato in dxf su sap si procede all'analisi della struttura.

si impostano le tre cerniere all'imposta e in chiave, rilasciando in chiave il momento in corrispondenza della cerniera.

seleziono l'arco e assegno una sezione rettangolare 0,3 m x 0,4 m

SI assegna poi il carico distribuito lungo la linea d'asse dell'arco, e non sulla sua proiezione a terra (comando: assign-frame loads-distribuited)

Come si nota il valore dello sforzo assiale fa capire come il carico si sia distribuito equamente sui due tratti dell'arco e che è massimo all'imposta ( Q*luce) e la metà in chiave (Q*luce/2). Inoltre il grafico del momento dimostra il suo annullamento in corrispondenza delle tre cerniere in chiave e alle imposte.

 

ARCO PARABOLICO:

Con lo stesso procedimento dell'arco precedente si procede all'analisi dell'arco parabolico. Ci si aspetta che il taglio e il momento flettente siano nulli e che il carico uniformemente ripartito sull'orizzontale si trasformi completamente in sforzo normale (è infatti un arco funicolare e non catenario).

impongo le tre cerniere e il rilascio del momento in chiave in corrispondenza della cerniera interna, e applico sempre un carico distribuito.

Il valore dello sforzo normale all'imposta corrisponde al valore della spinta dell'arco parabolico.

 

 

Esercitazione 4_ripartizione forze sismiche e calcolo del centro delle rigidezze

Per poter resistere a forze sismiche, cioè orizzontali, è necessario che le strutture siano in qualche modo controventate, e in generale ogni telaio dell'edificio rappresenta un controvento. In questo caso i telai sono di tipo Shear-type, modello teorico ideale di telaio, dove i nodi sono tutti incastri e la trave è infinitamente rigida (molto resistente a flessione) con momento di inerzia maggiore di quello dei pilastri: essa prende la maggior parte del momento e del taglio. La deformata vedrà quindi la trave soggetta solo a traslazione orizzontale rigida (con solo spostamento) e non a deformazione assiale, e avendo rotazione nulla all'incastro essa "trascinerà" i pilastri che quindi si deformeranno in quanto soggetti a flessione.

Alla forza orizzontale che agisce sull'impalcato (che diventa corpo rigido piano), il telaio reagirà con altrettante forze orizzontali, cioè i tagli che nascono in corrispondenza di ogni pilastro. Il legame che sussiste tra il taglio in quel punto e lo spostamento della trave è la rigidezza k del controvento. In corrispondenza di ogni controvento della struttura è perciò rappresentata una molla, che indica la rigidezza di ogni controvento della struttura.

Decisa l'altezza dei pilastri pari a 4 m e la loro sezione pari a 40 cm x 40cm, e il materiale, ( c.a.), con il supporto di un foglio excel si determina il centro delle rigidezze del telaio e la ripartizione delle forze sismiche.

STEP 1: si calcolano le rigidezze traslanti dei controventi dell'edificio analizzando telaio per telaio. Si inseriscono quindi i valori di E, H, I, e ottengo la rigidezza di ogni telaio.

E, modulo di elasticità del c.a. con classe di resistenza C 25-30 è pari a 31500 MPa (N/mm2)

H = 4 m

I = bh3/12= 213333 cm4

STEP 2: la tabella mostra tutte le rigidezze dei vari controventi, e le loro distanze dal punto di origine , cioè in corrispondenza del pilastro 8.

STEP 3:  calcolo delle coordinate del centro delle masse (baricentro, dove "confluiscono" le forze esterne applicate alla struttura). Si suddivide l'area totale dell'impalcato in aree più piccole, di cui si calcolano i singoli centri di massa, ottenendo poi le coordinate del centro di massa dell'intera struttura.

STEP 4:  calcolo delle coordinate del centro delle rigidezze

STEP 5:  dati i carichi di un solaio in c.a. (presi dalla scorsa esercitazione) e moltiplicati per l'area dell'impalcato si ottengono G e Q totali sulla struttura. Essi si moltiplicano per il coeff. di contemporaneità ottenendo i pesi sismici W, da moltiplicare a loro volta per il coeff. di intensità sismica, ottenendo la forza sismica totale agente.

STEP 6-7:  si ottiene quindi la ripartizione delle forze sismiche Fx e Fy, il momento torcente Mx e My ricavati moltiplicando la forza sismica per la differenza tra le coordinate (le x per My e le y per Mx) del centro delle rigidezze e delle masse (quindi Mx= F(YC-YG) e My= F(XC-XG) ).

Lo spostamento traslante lungo la direzione x sul piano dove giace l'impalcato è pari a δ   ( da F= K x δ)

La rotazione dell’impalcato = Mx/ Ktot

Le forze su ciascun controvento si ricavano moltiplicando: rigidezza controvento * distanza dall’origine del controvento * rotazione impalcato.

 

Si realizza la struttura su SAP per verificare la deformata e avere i valori delle sollecitazioni

Attraverso lo strumento Grid Only realizzo una griglia di base su cui costruire i telai della struttura, e assegno poi vincolo di incastro alla base dei pilastri disegnati.

Si assegna poi la sezione dei pilastri e delle travi (per renderle idealmente infinitamente rigide vado ed aumentare il modulo E e l'altezza della sezione è anch'essa molto alta).

Si disegna poi il centro delle masse sul piano dell'impalcato dato dalle coordinate calcolate prima in excel.

Dopo aver impostato la forza sismica agente sul centro delle rigidezze si ottiene la deformata classica del modello di telaio shear-type, dove ogni punto del piano orizzontale del solaio trasla orizzontalmente. Si nota anche una leggera rotazione dell'impalcato, dovuta al fatto che il centro delle masse non coincide precisamente con il baricentro della strutttura

EXE3_VERIFICA ABBASSAMENTO TRAVE A SBALZO.

EXE3_VERIFICA ABBASSAMENTO TRAVE A SBALZO:

Con riferimento alla pianta strutturale (sopra disegnata) di un solaio nel quale sono presenti delle travi a sbalzo e ipotizzandone tre tecnologie, siano esse: legno – acciaio – c.l.s. armato, verifichiamo, con quest’esercitazione, l’abbassamento della trave predisposta al sostenimento di tale sbalzo, in riferimento al rapporto di verifica che ci dice: abbassamento < lucesbalzo/250.  

Consideriamo un interasse di 500 cm e una luce di 300 cm.

Con riferimento alle tecnologie scelte per l’EXE2, in precedenza postata, consideriamo che nel caso di trave incastrata, da un lato, e con un estremo libero, dall’altro (la così detta mensola), il momento flettente M è pari a ql2/2.

 

 

Tipologia di LEGNO: 

Utilizzo un tipo di legno lamellare con un modulo di resistenza a flessione (fm,k) pari a 24 N/mm2, e un modulo di elasticità (E) pari a 8000 N/mm2, avremo: 

Il dimensionamento risulta corretto e il rapporto: abbassamento < lucesbalzo/250 è verificato.

 

Tipologia di ACCIAIO: 

Utilizzo un valore pari a 275 N/mm2 per la tensione/resistenza caratteristica di snervamento dell’acciaio (fy,k), e  un modulo di elasticità (E) pari a 210000 N/mm2, avremo:

Alla fine scegliamo una IPE400, della quale consideriamo:

Peso = 66,3 Kg/m

Momento d’inerzia (Jx) = 23130,0 cm4

 

Il dimensionamento risulta corretto e il rapporto: abbassamento < lucesbalzo/250 è verificato.

 

Tipologia di C.L.S armato: 

Utilizzo modulo di resistenza a flessione (fc,k) pari a 40 N/mm,della classe di resistenza del calcestruzzo ordinario C32/40, e un modulo di elasticità (E) pari a 21000 N/mm2, avremo: 

Il dimensionamento risulta corretto e il rapporto abbassamento < lucesbalzo/250 è verificato.

 

 

                                                                           - fine -

                                                                               A.

 

 

 

 

 

 

 

Esercitazione_5 - L'arco

L'ARCO

Prendiamo in considerazione 3 archi: arco a tutto sesto, arco ribassato e arco parabolico.

Mantenendo la stessa luce di 6 metri e lo stesso carico, facciamo variare la freccia.

  1. Arco a tutto sesto: L=6m; f=3m
  2. Arco ribassato: L=6m; f=1,5m
  3. Arco parabolico: L=6m; f=6m

In questo modo dovremmo capire meglio i comportamenti dei 3 archi. Dai risultati si dovrebbe evincere come un arco più è ribassato, più è “arco”. Infatti, gli archi lavorano prevalentemente a sforzo normale ed è l’arco ribassato che prende i carichi e li trasforma maggiormente in sforzi normali.

Per studiare il comportamento dei 3 archi, utilizziamo SAP. Disegniamo su Autocad 3D o Rhinoceros l’arco ed importiamolo in formato dxf su SAP.

Dopo averlo importato, speziamo l’arco nella sezione di chiave e facciamo il rilascio dei momenti in chiave a applichiamo un carico distribuito pari a 10KN.

1. ARCO A TUTTO SESTO:

L'arco a tutto sesto o semicircolare è un tipo di arco contraddistinto da una volta a semicerchio. È la tipologia più semplice di arco e prevede che il centro verso il quale convergono i giunti si trovi sulla linea d'imposta, cioè su quella linea che unisce i punti dove finiscono i sostegni e inizia l'arco.

Si avrà questa deformata:

Le reazioni vincolari saranno:

Il grafico degli sforzi assiali:

Il grafico dei momenti:

2. ARCO RIBASSATO:

Un arco si dice ribassato quando il centro verso il quale tendono i giunti dei cunei si trova più in basso della linea d'imposta.

Si avrà questa deformata:

Le reazioni vincolari saranno:

Il grafico degli sforzi assiali:

Il grafico dei momenti:

3. L'ARCO PARABOLICO:

Si avrà questa deformata:

Le reazioni vincolari e il grafico degli sforzi assiali saranno:

CONCLUSIONE

Se osserviamo i grafici degli sforzi normali possiamo dedurre:

Arco a tutto sesto:

  • All’imposta: N=30,38 KN
  • In chiave: N=15 KN

Arco ribassato:

  • All’imposta: N=42,15 KN
  • In chiave: N=30 KN

Arco parabolico:

  • All’imposta: N=7 KN
  • In chiave: N=30,92 KN

Per quanto riguarda le reazioni vincolari si può facilmente vedere come la struttura più spingente sia l’arco ribassato, infatti la reazione vincolare orizzontale è 30KN, mentre quella dell’arco a tutto sesto è 15KN (la metà), e quella dell’arco parabolico è 7,50KN (un quarto). Praticamente l’arco ribassato ha una spinta doppia rispetto all’arco circolare ed ha sforzo normale maggiore.

30KN>15KN>7,50KN

Dai grafici dei momenti si può vedere come l’arco ribassato ha più sforzo normale e quindi meno momento flettente rispetto all’arco circolare.

 

Esercitazione 5 - Gli archi

Studiamo su SAP il comportamento di tre tipi di archi prima modellati su rhinoceros poi importati come .dxf

L'arco fa parte di quel gruppo di strutture che reagisce alle forze esterne per FORMA. Sono strutture ottimizzate in quanto tendono a lavorare solamente a sforzo normale e questa caratteristica permette un'ottimizzazione del materiale al contrario delle strutture inflesse.

Per comportamento ad arco si intende una situazione in cui una struttura sottoposta a un carico esterno distribuito reagisce prevalentemente tramite sforzo normale, limitando taglio e momento che in alcuni casi sono nulli.

Per assurdo maggiore è l'altezza di un arco, minore è il suo comportamento ad arco in quanto diminuisce la spinta orizzontale e la struttura tende ad aumentare i valori di taglio e momento, avvicinandosi al comportamento di una trave inflessa. Al contrario si potrebbe pensare che un arco più è ribassato più si accivina al comportamento di una trave che resiste alla flessione tramite il momento d'inerzia della sua sezione, invece proprio in questi casi tendono ad abbassarsi o annullarsi i valori di taglio e momento lasciando la struttura con una compressione pura.

Questo ragionamento è espresso dalla formula della spinta orizzontale:

ql^2/2f, dove f è l'altezza dell'arco (imposta>chiave). Più cresce f minore sono la spinta orizzontale e il comportamento ad arco (le forze esterne saranno distribuite all'interno della struttura anche tramite taglio e momento). Più diminuisce f maggiore sono la spinta orizzontale e il comportamento arco (le forze esterne saranno distribuite all'interno della struttura prevalentemente tramite sforzo normale, rendendo nulli o quasi taglio e momento).

 

ARCO A TUTTO SESTO

ARCO PARABOLICO

ARCO CIRCOLARE RIBASSATO

esrcitazione rigidezze

Inserisco all'interno del foglio excel i dati della mia struttura,cercando di individuare il centro delle rigidezze.Una volta ottenuti i dati necessari verifico attraverso SAP il comportamento della mia struttura a seguito di una forza sismica 

 

 

Modifico il momento D'inerzia delle travi iper aumentarne la rigidezza

Es4_Centro delle rigidezze

l'obiettivo di questa esercitazione è il calcolo del centro delle rigidezze di un telaio shear-type tramite l'uso di un foglio excell e la successiva verifica con SAP

il telaio è composto da pilastri di sezione 30x30 e da travi di sezione 30x60

all'interno della tabella sono stati inseriti il modulo di Young, l'altezza e il momento di inerzia dei pilastri, la rigidezza totale dei telai

         

le tabelle 3, 4 e 5 mostrano il calcolo del centro di massa e del centro delle rigidezze di tutta la struttura e la forza sismica orizzontale F da applicare al al centro delle rigidezze nella verifica su SAP

 

inserisco la struttura su SAP

dopo aver attribuito la sezione alle travi e ai pilastri, aggiungo tanti zeri al momento di inerzia per aumentare la rigidezza delle travi

trovo la posizione del centro delle rigidezze e per dare continuità alla struttura assegno il comando diaphragm, applico poi la forza sismica orizzontale F trovata con il foglio excell

ottengo la seguente deformata

     

la struttura sottoposta alla forza sismica trasla lungo l'asse dell'applicazione della forza ma non ruota    

 

 

 

 

Esercitazione4_gli archi

Arco a tutto sesto:

Disegno un cerchio su Autocad lo taglio ed ottengo il mio arco, spezzo l'arco in chiave e dopo aver ruotato il mio arco in 3d di 90° lo salvo con il formato dxf2004.

Lo importo su Sap

1.assegno alle imposte le cerniere.

2.Seleziono i due segmenti in chiave e gli assegno la cerniera interna con il comando Frame_Release.

3.Seleziono l'arco e gli assegno una sezione, in questo caso in CLS 30X30cm

4. Assegno un carico distribuito di 100KN/m selezionando il comando Gravity Projected 

5. ora posso avviare l'analisi attraverso il comando Run e vedere la deformata, i grafici di M,T,N e le reazioni vincolari

T:

M:

N:

 

 

 

Arco ribassato:

Disegno un cerchio su Autocad lo taglio ed ottengo il mio arco, spezzo l'arco in chiave e dopo aver ruotato il mio arco in 3d di 90° lo salvo con il formato dxf2004.

Lo importo su Sap 

1.assegno alle imposte le cerniere. 

2.Seleziono i due segmenti in chiave e gli assegno la cerniera interna con il comando Frame_Release.

3.Seleziono l'arco e gli assegno una sezione, in questo caso in CLS 30X30cm

4. Assegno un carico distribuito di 100KN/m selezionando il comando Gravity Projected 

5. ora posso avviare l'analisi attraverso il comando Run e vedere la deformata, i grafici di M,T,N e le reazioni vincolari

T:

M:

N:

 

 

 

 

 

 

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