Esercitazione

Ci proponiamo, con la seguente esercitazione, ci calcolare come viene ripartita una forza orizzontale (come ad esempio quelle derivanti dal sisma o dal vento) sui diversi telai che compongono la nostra struttura, applicando il metodo delle rigidezze per mezzo del foglio Excel da voi fornito.

Iniziamo innanzitutto disegnando la pianta strutturale dell’edificio preso come riferimento.

Prenderemo in considerazione un generico edificio ad un solo piano con struttura composta da telai piani (ossia un insieme di travi e pilastri allineati sopra un piano verticale) in cemento armato. Questi, oltre a trasmettere i carichi verticali alle fondazioni, possono svolgere anche il ruolo di controventi. E’ bene precisare che, perché un sistema di controventamento possa essere efficace, bisogna trovarsi nella situazione in cui gli impalcati possono essere considerati corpi rigidi sul proprio piano (al di quale si inflettono), per cui la forza orizzontale loro applicata tende a spostarli, ed i controventi contrastano questa azione grazie alla loro elasticità.

Oltre ad una specifica in termini di tecnologia utilizzata (quella del cemento armato, appunto), bisogna altresì premettere che questa esercitazione è dedicata anche ad una specifica tipologia di controventi, ossia i telai shear-type. Non essendo argomento specifico dell’esercitazione, non ci dilungheremo né sul concetto di rigidezza, né su quello di telaio shear-type. Basti ricordare che si tratta di un telaio con tutti nodi ad incastro e con la trave considerata infinitamente rigida flessionalmente rispetto ai pilastri. Confrontando un telaio di questo tipo con un altro con – ad esempio – traverso flessibile, ci rendiamo immediatamente conto della forte differenza in termini di rigidezza: il telaio shear-type è otto volte più rigido. Trattasi – ovviamente – di modelli, astratti quindi dalla realtà, ma accettati in quanto – associandoli appunto alla tecnologia del cemento armato – ne approssimano alcune caratteristiche.

Torniamo alla nostra struttura. In pianta si possono individuare sette telai, quattro paralleli all’asse y e tre paralleli all’asse x

Telaio 1v_erticale, composto dai Pilastri 1,5,9

Telaio 2v_erticale, composto dai Pilastri 2,6,10

Telaio 3v_erticale, composto dai Pilastri 3,7

Telaio 4v_erticale, composto dai Pilastri 4,8

Telaio 1o_rizzontale, composto dai Pilastri 1,2,3,4

Telaio 1o_rizzontale, composto dai Pilastri 5,6,7,8

Telaio 1o_rizzontale, composto dai Pilastri 9,10

 

Detto ciò, cambiamo “abito mentale”, passando a vedere l’impalcato come un corpo rigido dotato di massa ed i controventi come molle che lo vincolano impedendogli di spostarsi eccessivamente. I controventi, che per il telaio rappresentano vincoli cedevoli elasticamente, possono essere schematizzati infatti come molle, aventi un’adeguata rigidezza.

Entrando nel vivo dell’esercitazione, iniziamo calcolando le rigidezze traslanti dei controventi dell’edificio. Ipotizzando, come già accennato, che il solaio sia rigido a sufficienza da considerare la struttura composta da telai Shear-Type, possiamo passare a calcolarci la rigidezza traslante K_T (KN/m) di ogni telaio, ovvero la somma delle rigidezze dei singoli pilastri che la compongono

K_telaio= (12E/h³) x

Ricordandoci che il telaio di tipo Shear-Type ha una rigidezza pari a:

k= 12EI/h³

Una volta definita la nostra sezione e tenuto conto della disposizione dei pilastri in pianta, con:

E= Modulo di Young = 21000 N/mm²

H= altezza = 3,2 m

I_x= Momento d’Inerzia parallelo all’asse x = bh³/12 =

133 333,3 cm⁴

I_y= Momento d’inerzia parallelo all’asse y = b³h/12 =

 52083,3 cm⁴

Avremo quindi:

Nella tabella sinottica dei controventi e delle distanze riportata di sotto, oltre ad essere riassunte le diverse rigidezze di tutti i controventi, vengono anche riportate le distanze dei diversi controventi dal punto O, origine di un sistema di riferimento da noi scelto (a tal proposito, ci riferiamo all’immagine dell’impalcato inteso come corpo rigido dotato di massa ed i controventi come molle, dove sono riportate le distanze dei controventi dall’origine).

Passiamo quindi a calcolare il Centro di Massa ed il Centro di Rigidezza dell’impalcato. Entrambi i procedimenti sono figli dello stesso concetto base, ossia il metodo attraverso cui ottenere il centro di un sistema di vettori paralleli. Tralasciando per sinteticità dell’esercitazione la dimostrazione, basti sapere che lo stesso procedimento viene poi declinato a seconda del “centro richiesto”: nel caso del centro delle rigidezze, le variabili saranno, oltre alla rigidezza totale, la distanza dei controventi dal centro delle rigidezze; nel caso del Centro di massa (coincidente con il centro d’area, qualora la densità di massa dell’impalcato sia uniforme su tutto l’impalcato), oltre all’area, la distanza dei centri d’area delle figure geometriche elementari dall’origine del nostro sistema di riferimento.

Incominciamo quindi calcolandoci quest’ultimo. Per semplicità, suddividiamo l’impalcato in due figure geometriche elementari (due rettangoli) ed indichiamo il centro di massa e l’area di ognuna di queste due figure. Ciò fatto, ipotizziamo appunto che la densità di massa dell’impalcato sia uniforme lungo tutto quest’ultimo.

 

Le coordinate del centro di massa saranno:  

x_G = (Σ_i=1->nAi*xGi)/ A_tot

y_G = (Σ_i=1->nAi*yGi)/ A_tot

Qualora l’ipotesi di densità uniforme dell’impalcato non fosse valida, il centro di massa non coinciderebbe con il centro d’area e dovremmo quindi ricorrere alla variabile “Massa”:

x_G = (Σ_i=1->nMi*xGi)/ A_tot

y_G = (Σ_i=1->nMi*yGi)/ A_tot

 

Procedimento analogo per quanto riguarda il Centro delle Rigidezze dell’impalcato. Le coordinate del centro di rigidezza, formalmente analoghe alle coordinate del centro di massa, sono:

x_G = (Σ_i=1->nKvi*Dvi)/ K_{v_tot}

y_G = (Σ_i=1->nKoi*Doi)/ K_{o_tot}

 

Abbiamo quindi posizionato il centro di massa ed il centro delle rigidezze all’interno del sistema di riferimento in cui abbiamo disegnato l’impalcato (ricordiamoci difatti che – ai fini di quest’esercitazione – la forza sismica viene applicata nel centro di massa G).

Non coincidendo i due (ossia, poiché la retta d’azione della forza esterna – applicata nel centro di massa - non passa per il centro delle rigidezze), l’impalcato è soggetto a traslazione e rotazione; si produrrà quindi uno spostamento sull’asse in cui è applicata la forza ed un momento che farà ruotare l’impalcato con perno nel centro delle rigidezze e braccio pari alla coordinata che informa sulla distanza di questa forza dal centro delle rigidezze.

Schematizzando quanto detto in maniera semplice, ci troveremo innanzi ad una situazione analoga a quanto riportato nelle due successive immagini:

Rotazione e spostamento dettati da una forza applicata orizzontalmente

 

Rotazione e spostamento dettati da una forza applicata verticalmente.

Nella tabella precedente, oltre a calcolare le coordinate del centro di rigidezza, ricaviamo anche il valore della rigidezza torsionale K_Φ, ossia la sommatoria di tutte le rigidezze dei controventi (calcolate nel primo passaggio) moltiplicate per la loro distanza dal centro delle rigidezze. Questa rigidezza torsionale servirà in seguito – come vedremo – per il calcolo della rotazione dell’impalcato secondo una direzione.

K_Φ =Σ_i=1->nK_vi*dd²_vi + K_oi*dd²_oi

 

Manca ora il calcolo della forza sismica che agisce nel centro di massa: conditio sine qua non, l’analisi dei carichi sismici, ergo il carico totale permanente G ed il carico totale accidentale Q.

Ipotizziamo il solaio latero cementizio seguente:

Il carico totale permanente G sarà uguale a G = (q_s + q_p)*A_tot

Il carico totale accidentale, invece Q = q_a*A_tot

Introduciamo quindi il carico sismico W = G + Q*ψ

con ψ equivalente al coefficiente di contemporaneità, il cui valore è fornito dalla normativa; nel nostro caso, ipotizziamo una categoria A (ambienti ad uso residenziale), con quindi una fattore ψ=0,3:

Il peso sismico W, espresso in kN, rappresenta la forza peso dell’edificio, data dal prodotto tra la massa dell’edificio e l’accelerazione di gravità. Poiché il sistema ha un’accelerazione mediamente più piccola dell’accelerazione di gravità, può essere introdotto un coefficiente di intensità sismica c, che tenga conto della sismicità del luogo di progettazione dell’edificio

F=W*c

Nel nostro caso, c=0,1

Ci stiamo quindi avviando alla conclusione. Si dovrà ora quantificare la ripartizione della forza sismica F lungo l’asse x e lungo l’asse y (nello specifico, per ognuno dei diversi controventi). Detto altrimenti, arriviamo infine a calcolare il valore degli spostamenti u, v e Φ.

Lo spostamento orizzontale, u, sarà pari ad u = F/(k_{o_tot})

Lo spostamento verticale, che chiamiamo v, sarà pari a v = F/(k_{v_tot})

Infine, la rotazione Φ impressa all’impalcato sarà uguale a Φ=M/k_Φ

Una volta determinato il valore dei gradi di libertà, possiamo ricavare la forza sui singoli controventi nei due casi di carico.

Quando la forza è parallela all’asse x, la reazione elastica dei controventi orizzontali sarà pari a:

F_{o_n}= k_{o_n} (u+Φ*dd_{o_n})

Mentre in quelli verticali:

F_{v_n}=k_{v_n}* Φ*dd_{v_n}

Quando invece la forza è parallela all’asse y, la reazione elastica dei controventi verticali sarà:

F_{v_n}=k_{v_n}(v+ Φ*dd_{v_n})

Mentre in quelli orizzontale sarà

F_{o_n}=k_{o_n}* Φ*dd_{o_n}

Intuitivamente, poiché il corpo non si limita a traslare, per poter conoscere il valore della rotazione, bisognerà calcolare il Momento Torcente M dell’asse x, moltiplicando la forza sismica F per il suo braccio, ovvero la differenza tra l’ordinata del centro delle rigidezze e quella del centro di massa, e per l’asse y, utilizzando come braccio la differenza tra le ascisse dei due centri. Infine, si calcola la traslazione orizzontale, dividendo F per la rigidezza traslante orizzontale, la traslazione verticale, dividendo F per la rigidezza traslante verticale, e le rotazioni, dividendo i rispettivi Momenti torcenti per la rigidezza rotazione K Φ.

L’esercitazione è così conclusa. Vorrei ora spendere alcune righe per spiegare in maniera molto sintetica come siamo arrivate alle formule scritte poco sopra.

Astraiamoci dal caso specifico ed immaginiamo un sistema iperstatico come quello riportato nella figura sottostante

Dato che il corpo è rigido e piano, la cinematica dipende solamente da tre parametri:

la traslazione orizzontale δ_o, la traslazione verticale δ_v e la rotazione Φ.

Per determinare le tre incognite, si ipotizza un parametro di spostamento per volta, registrando le azioni nelle molle che questo produce; poi, invocando il principio di sovrapposizione degli effetti, in ogni molla si somma il contributo dovuto ad ognuno dei tre parametri. In conclusione, si scrivono le tre equazioni di equilibrio e si ricavano i valori dei tre parametri.

Nel caso in figura, non ci sono né forze né molle orizzontale, di conseguenza δo=0.

Le incognite da determinare sono quindi δv e la rotazione Φ. Gli effetti che essi inducono sulle reazioni vincolari elastiche sono i seguenti:

Con Ri₁ = -ki δv

Con Ri₂=-ki δv Φxi

Applicando il principio di sovrapposizione degli effetti, avremo R= Ri₁ + Ri₂

Sinteticamente: vado a scrivere le equazioni di bilancio alla traslazione verticale ed alla rotazione. Se il punto O attorno al quale abbiamo scelto di far agire Φ ed effettuato il bilancio dei momenti è pari a C, la soluzione sarà immediata, arrivando così alle formule applicate precedentemente.

Noti δo, δv e Φ, posso determinare le reazioni elastiche di ogni controvento.

Per la quarta esercitazione si calcola la rigidezza di un impalcato costituito da sei telai di cemento armato basati sul modello teorico "shear-type". La distanza tra il centro delle rigidezze rispetto al centro di massa determina la sua capacità di rispondere alle sollecitazioni orizzontali. L'impalcato, considerato di un piano solo, è il seguente:

I pilastri sono di sezione rettangolare 30x65 cm, alcuni disposti lungo x, altri lungo y, uno, invece, è a basa quadrata di 30x30 cm.

Il primo step della tabella excell richiede i valori della geometria e i materiali dei telai: l'altezza h=3,50m, il modulo plastico E (da materiale, 21000 N/mmq) e i momenti d'inerzia I (per la sezione rettangolare (b*h³)/12)
La tabella, quindi, calcola la rigidezza traslante di ogni telaio , che si ottiene dalla formula: 

Dove la rigidezza del singolo pilastro è dato dal modello  "shear-type"e vale 12*E*I/h³.

Si può assumere che ogni telaio è in grado di resistere a sforzi orizzontali al suo sviluppo (possiamo quindi rappresentare ogni telaio con una molla che ostacola gli spostamenti):

Si passa ora a calcolare le coordinate X e Y del centro d'area G, riducendo la forma in pianta in schemi semplici composti da rettangoli i quali centri G1 e G2, inseriti nella formula per il centro di un sistema di vettori paralleli, restituiscono il centro d'area di tutto l'impalcato.

Un telaio ben progettato richiede una distanza tra i due centri non troppo elevata,per limitare la rotazione rigida dell'impalcato e i conseguenti momenti torcenti sui pilastri, sottoponendo la struttura a sola traslazione pura. La distanza dell'impalcato considerato è tuttavia accettabile, anche se tende comunque a ruotare. Con il foglio excell calcoliamo, quindi, la rigidezza torsionale, mediante l'utilizzo della seguente formula che tiene in considerazione la distanza dei controventi dal centro delle rigidezze.

La rigidezza torsionale totale vale 15036062,80 KNm.

Con lo step 5 si calcola l'entità del carico sismico dell'impalcato, per il quale è necessario conoscere i carichi strutturali qs, i carichi permanenti non strutturali qp ed i carichi accidentali qa.
Per un normale solaio in latero-cemento, ad uso residenziale:
qs=1,86 KN/mq, qp=1,91 KN/mq, qa=2 KN/mq.

I carichi moltiplicati per l'area totale dell'impalcato forniscono G = 626,4 KN e Q = 216 KN, a loro volta vengono sommati (ma Q prima è moltiplicato per il coefficiente di contemporaneità 0,3 tabellato per uso residenziale) per avere il valore del peso sismico W = 691,2 KN. 
infine è necessario "accellerare" la massa dell'edificio per il coefficiente d'intensità sismica c, che dipende dall'area geografica e dalla sua sismicità (in questo caso vale 0,1) fino ad ottenere lo sforzo sismico orizzontale F= 69,12 KN.

Gli step 6 e 7 calcolano i valori degli spostamenti orizzontali e verticali e della rotazione dell'impalcato applicando la forza F sul centro di massa G, rispettivamente lungo l'asse X e lungo l'asse Y, con le formule qui riportate:

Il momento torcente M che appare nella tabella 6 ha come forza la forza sismica F e come braccio la distanza tra centro di massa e centro delle rigidezze, e vale quindi 52,89 KNm ed è antiorario nel caso di una forza fisica orizzontale, invece -85,51 ed è orario nel caso di una forza fisica verticale.

Nelle due tabelle finali si può calcolare la forza sismica agente sui singoli controventi orizzontali e verticali.
Nel caso di forze lungo X con le seguenti formule:

Lo stesso principio si applica con la forza lungo Y:

 

Per la terza esercitazione ci è stato richiesto di dimensionare una trave, non più appoggiata-appoggiata, bensì a mensola.
I solai sono gli stessi dell'esercitazione precedente e i materiali utilizzati saranno legno Gl 24c, acciaio Fe 430/S275, calcestruzzo C 25/30 con barre d’acciaio B450A.
Lo scopo è quello di effettuare su queste tre mensole la verifica a deformabilità, controllando l’abbassamento minimo dell’elemento strutturale in rapporto alla sua luce. 

Per la terza esercitazione ci è stato richiesto di dimensionare una trave, non più appoggiata-appoggiata, bensì a mensola.
I solai sono gli stessi dell'esercitazione precedente e i materiali utilizzati saranno legno Gl 24c, acciaio Fe 430/S275, calcestruzzo C 25/30 con barre d’acciaio B450A.
Ila verificherà sarà effettuata allo Stato Limite d’Esercizio (SLE), differentemente da quanto avvenuto invece per il dimensionamento delle travi nella precedente esercitazione, che ha avuto luogo allo Stato Limite Ultimo (SLU). Ipotizziamo in tutti e tre i casi di trovarci dinnanzi ad una mensola di lunghezza l e caricata con un carico uniformemente distribuito pari a qu. Il momento massimo nella sezione di incastro vale:

Mmax=(qu*l²)/2

Lo spostamento massimo verticale, invece, vale:
vmax= - (qe*l⁴)/8*E*Ix

Verificando che il rapporto tra la luce della trave ed il suo spostamento massimo sia maggiore di 250 possiamo stabilire che la trave non si deformerà più di quanto non sia consentito dalla normativa.

1) TRAVE IN LEGNO

2) TRAVE DI ACCIAIO

3) TRAVE IN CEMENTO ARMATO

Nel caso del cemento armato è necessario verificare che il peso stesso della trave, aggiunto al carico del solaio, non vada a sovraccaricare eccessivamente la struttura a mensola.

 

 

Per la seconda esercitazione andremo a dimensionare la trave maggiormente sollecitata di un impalcato strutturale ad uso residenziale. Calcoliamo quanto pesa un metro quadro del nostro solaio (espresso come densità di carico superficiale in kN/m²). Studieremo il caso di un salaio di legno, uno di laterocemento e uno di acciaio con lamiera grecata.
Divideremo il carico totale in qs (kN/m²) (carico dovuto al peso della struttura), il carico permanente qp (kN/m²) (carico di tutto ciò che grava sulla struttura), e il carico accidentale qa (kN/m²) (in questo caso 2,0 kN/m² cioè il carico accidentale previsto da normativa per gli edifici residenziali). 
Per calcolare il peso al metro quadro del solaio sommiamo tutti i pesi di tutti gli elementi tecnologici presenti. Il loro peso specifico (kN/m³) si moltiplica per la quantità di volume del materiale presente in un metro quadro (m³/m²). Dal calcolo si ottengono i pesi espressi in kN/m² che sommati individueranno i nostri qp e qs.
La normativa impone l'utilizzo di coefficienti moltiplicativi dei singoli carichi, che forniscono il carico totale come una combinazione di carico, espressa dalla formula seguente: qtot [KN/m²] = 1,3*qs + 1,5*qp + 1,5*qa  per lo stato limite ultimo con cui vanno calcolati. Da questo carico dobbiamo ricavare il carico agente sulla trave (qu) derivante dalla moltiplicazione di qtot per l'interasse della trave. A questo punto bisogna determinare il momento massimo agente sulla trave Mmax = qul²/8 (considerando il modello di trave appoggiata appoggiata).
L'impalcato che andremo ad analizzare è il seguente, la trave analizzata è evidenziata in rosso e la sua area di influenza è di 15mq.

1)    TRAVE IN LEGNO

 

 

 

Nel dimensionamento di una sezione di una trave in legno il progettista deve scegliere il tipo di legno da utilizzare e quindi inserire nella colonna corrispondente la resistenza caratteristica a flessione fm,k del legno prescelto a seconda della tecnologia (legno massiccio o legno lamellare) e ad una classe di resistenza. 

Consideriamo il GL 24c ed inseriamo nella tabella Excel la resistenza caratteristica a flessione fm,k.

La tensione di resistenza fd sarà a sua volta pari a fd = (kmod*fm,k)/γm

Kmod è un coefficiente diminutivo che considera l’effetto della durata del carico e le condizioni di umidità.

Ipotizzando un carico permanente, una classe di servizio 2 e un legno lamellare, avremo un valore kmod pari a 0,6 (come da normativa).

Il coefficiente γm è invece un coefficiente parziale di sicurezza del materiale e vale 1,45

Ora, con il foglio excell fornitoci, andiamo a calcolare la sezione della trave di legno. Inseriamo le informazioni sulla geometria dell'impalcato, le caratteristiche del materiale e le tensioni di progetto, calcoliamo il momento massimo e con la tensione di resistenza e una base di partenza di 40cm andiamo a calcolare l'altezza minima. 

hmin= (Mmax/b)^0.5 * (6/fd)^0.5 = 36,08 cm.

Ingegnerizzando l'altezza minima scegliamo un profilo quadrato di 40x40cm.

2) TRAVE IN ACCIAIO

Per dimensionare la sezione in acciaio procediamo individuando il modulo di resistenza a flessione minimo da utilizzare affinché la tensione del materiale non superi la tensione di progetto. 

fyd è la tensione di progetto e si calcola a partire dalla tensione caratteristica di snervamento divisa per un coefficiente di sicurezza γs pari a 1,05.

Fyd = Fyk/γs

Se consideriamo l'acciaio Fe 430/S275, con una tensione di snervamento caratteristica di 275 MPa, otteniamo un Wx,min di 338,12 cm³.
 
Wx,min = Mmax/fyd

Wx,min è il valore minimo della sezione che posso scegliere per il dimensionamento. Con un Profilario di IPE in acciaio scegliamo una sezione con un Wx più grande.
La IPE270 con Wx = 429 cm³.

3) TRAVE IN CEMENTO ARMATO

In questo caso teniamo conto delle due diverse tensioni di progetto: del cls (fcd) e dell’acciaio (fyd).

Scelta una base, determinato il Momento massimo e δ (5cm) possiamo proseguire con la scelta della sezione da utilizzare.

Iniziamo scegliendo il tipo di acciaio ed il tipo di calcestruzzo, individuando prima fyk ed fck (le resistenze caratteristiche), poi li riduciamo ottenendo fcd e fyd (le tensioni di progetto del calcestruzzo e dell’acciaio)

fyd = fyk/γs             fcd = αcc(fck/γc)

γs  è il coefficiente parziale di sicurezza relativo all’acciaio (pari a 1,15), αcc è il coefficiente riduttivo per le resistenze di lunga durata (0,85) e γc il coefficiente parziale di sicurezza relativo al cls, pari a 1,5.

Scegliamo un acciaio B450A (con fyk = 450 MPa) ed un calcestruzzo ordinario C 25/30 (fck = 30 MPa).

Scegliendo la base della sezione di 30cm e noti i valori delle tensioni di progetto, determiniamo hu (l’altezza utile della sezione, pari all’altezza totale meno δ), da cui poi otterremo appunto una Hmin (altezza minima della sezione).

Hmin = hu + δ

hu = r(Mmax/b)^0.5    con r = (2/[fcd*(1-β/3)*β])^0.5      e     β= fcd/(fcd+fyd/n)

L’altezza minima andrà poi ingegnerizzata in eccesso. Nel nostro caso quindi, ottenendo una hu = 33,42 cm avremo una Hmin= 38,42cm, che ingegnerizziamo prendendo un’altezza H = 40cm.

A questo punto è necessario aggiungere al carico totale qu il peso stesso della trave (calcolato con il peso specifico del cls armato che è pari a 3 kN/m). Se l’altezza minima risultante sarà ancora minore dell’altezza ingegnerizzata la sezione risulterà verificata anche una volta aggiunto il peso proprio della trave.
Da qui la necessità di aumentare l'altezza della sezione H=45cm.

 

Questa esercitazione è finalizzata a calcolare come viene ripartita una forza orizzontale, come può essere il vento o il sisma, su un generico impalcato strutturale ad un piano. Calcoleremo quindi le rigidezze dei controventi, il centro d’area e il centro delle rigidezze dell’impalcato trovando così gli spostamenti prodotti dalla forza.

L’impalcato preso in considerazione è costituito da telai piani in cemento armato con controventi di tipo Shear-type, la cui caratteristica è di avere travi infinitamente rigide questo fa sì che ai pilastri non vengano trasmesse rotazioni.

Per prima cosa poniamo l’impalcato in un sistema di riferimento cartesiano dove andiamo ad individuare i telai paralleli all’asse y e quindi verticali e i telai paralleli all’asse x quindi orizzontali:

 

Telaio 1v  composto da: pilastri  1, 7 e 11

Telaio 2v  composto da: pilastri  2, 4 e 8

Telaio 3v  composto da: pilastri  9 e 12

Telaio 4v  composto da: pilastri  3 e 5

Telaio 5v  composto da: pilastri  6 e 10

 

 Telaio 1o composto da: pilastri  1, 2 e 3

 Telaio 2o composto da: pilastri  4, 5 e 6

 Telaio 3o composto da: pilastri  7, 8, 9 e 10

 Telaio 4o composto da: pilastri  11 e 12

 

I controventi, che per il solaio rappresentano vincoli cedevoli elasticamente, possono essere schematizzati nel piano dell'impalcato come molle, aventi un’adeguata rigidezza.

Trattandosi di telai shar-type la loro rigidezza sarà data da:

 

Quindi in generale per un telaio di n pilastri la rigidezza sarà: 

Dove E rappresenta il modulo elastico del cls armato mentre I è il momento d’inerzia del pilastro secondo la direzione in cui resiste meglio. 

quindi per il pilastro da noi adottato avremo: 

Iy=(30*40^3)/12=160000

Ix=(40*30^3)/12=9000

       

Andiamo ora a calcolare la rigidezza traslante associata ad ogni controvento sapendo che l’altezza di ogni nostro pilastro è di 3,5 m e il modulo elastico del nostro materiale  è di 21000 N/mm^2.

Una volta definita la rigidezza di ogni controvento le riportiamo in tabella insieme alla sua distanza dall’origine. 

Ora vediamo come calcolare il centro di massa dell’impalcato (G).

Innanzi tutto dividiamo l’impalcato in forme geometriche elementari come i rettangoli, nel nostro caso tre, di cui definiamo l’area e il baricentro:

Area A: 11,70 m²

Area B: 6,43 m²

Area C:  8,43 m²

 

Centro A: (1,5 ;  3,9)

Centro B: (4,6 ;  2,9)

Centro C: (2,5 ;  0,97)

 

 

 

 

 

 

Applichiamo ora attraverso il foglio Excel la formula della sommatoria per trovare il centro di massa che risulta avere coordinate G (2,58 ; 2,73).

Definiamo ora le coordinate del centro delle rigidezze (Xc, Yc) attraverso la sommatoria che moltiplica le rigidezze traslanti  (kv, ko) per la distanza del controvento dall’origine (dv, do). 

Ricaviamo ora il valore delle rigidezza torsionale calcolando tutte le distanze dei diversi controventi (ddv, ddo) dal centro delle rigidezze (C) data dalla formula:

Nella tabella successiva possiamo calcolare il valore della forza sismica agente  sull’impalcato attraverso l’analisi dei carichi sismici.

Per far ciò riprendiamo i valori dei carichi strutturali, permanenti, e accidentali dell’esercitazione sul dimensionamento della trave:

q_s = 3,12 KN/m²

q_p = 3,95 KN/m²

q_p  = 2,00 KN/m²

Attraverso il foglio Excel e il valore dei carichi per unità di superficie (KN/mq) calcoliamo il carico totale permanete (G), il carico totale accidentale (Q) come segue:

Questa esercitazione viene svolta con l’obiettivo di individuare il metodo di ripartizione di una forza orizzontale, come quella sismica e del vento, sui diversi telai che costituiscono una struttura, applicando il metodo delle rigidezze.

Si prende in considerazione un edificio generico ad un solo piano, in cui struttura è composta da telai piani che, oltre a trasmettere i carichi verticali alla fondazione, possono costituire dei controventi per le azioni orizzontali. In particolare, i telai piani che compongono tale struttura sono realizzati sul modello del telaio Shear-type. I telai Shear-Type sono un modello teorico che hanno la capacità di possedere travi infinitamente rigide, questo fa si che le estremità dei pilastri non possono ruotare. La rotazione impedita porta a deformare i pilastri stessi come travi doppiamente incastrate. In questo caso la deformata si avvicina alla deformata di una trave deformabile per solo taglio.

Nell’ impalcato in figura si individuano 7 telai, 3 paralleli all’asse x e quattro paralleli all’asse y.

• Telaio 1 verticale: pilastri 1-5-9
• Telaio 2 verticale: pilastri 2-6-10
• Telaio 3 verticale: pilastri 3-7
• Telaio 4 verticale: pilastri 4-8
• Telaio 1 orizzontale: pilastri 1-2-3-4
• Telaio 2 orizzontale: pilastri 5-6-7-8
• Telaio 3 orizzontale: pilastri 9-10

I controventi, che per il solaio rappresentano vincoli cedevoli elasticamente, possono essere schematizzati nel piano dell’impalcato come molle.

In tutta la struttura sono presenti due tipologie di pilastro, uno rettangolare di dimensioni 50x30 cm e uno quadrato di dimensioni 30x30 cm. Pertanto otterremo tre momenti di inerzia distinti (bh^³/12), due per il pilastro rettangolare, uno rispetto ad x e l’altro rispetto ad y, e uno per il pilastro quadrato.

I₁xy= bh³/12= 67.500 cm⁴     I₂x= bh³/12= 31.2500 cm⁴    I₂y= b³h/12= 11.2500 cm⁴

Tramite la tabella excel, dopo aver inserito tutti i valori trovati dei diversi momenti d’inerzia, calcoliamo la rigidezza traslante associata a tutti i controventi, inserendo per ognuno di essi l’inerzia dei pilastri che lo compongono. Si parla di telai Shear type, pertanto, per trovare la rigidezza traslante di un telaio composto da n pilastri utilizziamo la formula:

Si ottiene anche una tabella riassuntiva in cui vengono riportate le rigidezze di tutti i controventi calcolati precedentemente. Nella stessa tabella, si devono inserire le distanze di ogni controvento, calcolate da un’origine O arbitraria, che per comodità collochiamo nell’angolo in basso a sinistra dell’impalcato.

Si calcola ora il centro di massa dell’edificio, che corrisponde al centro delle aree dato che si considera l’impalcato con densità di massa uniforme, suddividendo la struttura in tre figure elementari di cui conosciamo il centro in modo intuitivo.

Per farlo utilizziamo la formula derivata da quella per ottenere le coordinate del centro di un sistema di vettori paralleli:

Giunti a questo punto, si calcola la rigidezza totale orizzontale, data dalla somma delle singole rigidezze dei controventi orizzontali, e la rigidezza totale verticale, data dalla somma delle singole rigidezze dei controventi verticali. Così sarà possibile calcolare il centro delle rigidezze riadattando la formula precedentemente utilizzata per il centro di massa, e la rigidezza torsionale totale.

Si riesce così ad individuare sia il centro di massa G sia il centro delle rigidezze C, dell’intero impalcato.

Si effettua l’analisi dei carichi sismici per ricavare la forza che agisce nel centro di massa. Si calcola il carico totale permanente (G) e accidentale (Q) del solaio, partendo dal valore dei carichi per unità di superficie [kN/mq] e utilizzando le seguenti formule:

G = (q_s + q_u) A_tot      Q = q_a A_tot

In accordo con la normativa tecnica si utilizza la combinazione sismica per calcolare i pesi sismici:

W = G + ψ_2j · Q   in cui ψ rappresenta il coefficiente di contemporaneità indicato dalla normativa.

F = W c    moltiplicando W, ossia il peso sismico, per un coefficiente di intensità sismica c che tiene conto della sismicità del luogo di progettazione dell’edificio, si ottiene F, la forza sismica da applicare al centro di massa.

Ora si considera l’azione della forza sismica lungo x e poi lungo y. Si trova lo spostamento orizzontale, verticale e la rotazione tramite le seguenti formule:

Ora che abbiamo tale forza la andiamo ad applicare nel centro d’area creando 2 casi:

• forza applicata in direzione x, che comporterà ad possibile rotazione e traslazione orizzontale dell’impalcato
• forza applicata in direzione y, che comporterà ad possibile rotazione e traslazione verticale dell’impalcato 
• 

In questa esercitazione si metteranno a confronto i comportamenti di differenti tipi di arco soggetti a un carico uniforme.

arco a tutto sesto   F = L

arco ribassato        F < L

arco parabolico     F > L

1_ Disegnare, su Autocad 3D o Rhino, i tre tipi di arco, tutti con la stessa luce e importarli in SAP con il formato .dxf

2_ Determinare il modello di arco a tre cerniere inserendo: ai punti d'imposta di ogni arco il vincolo cerniera esterna, mentre in chiave usare il comando Release/Partial Fixity per creare una cerniera interna, annullando il momento.

3_ Stabilire la sezione dell'arco, impostandolo come se fosse in cemento con una sezione rettangolare di 40x25cm, avendo la dimensione più grande perpendicolare alla linea dell'asse.

4_ Applicare un carico di 20KN/m su tutta la struttura, ricordando di selezionare l'opzione Gravity projected, affinchè il carico sia distribuito in maniera uniforme rispetto alla curvatura dell'arco.

5_ Analizzare i tre archi. Le reazioni vincolari alle imposte saranno per entrambi r_v = ql e r_o = ql²/2f

Più la freccia si avvicina all'imposta dell'arco, più la spinta aumenta, poiché sono inversamente proporzionali.

                  

Si vuole calcolare la rigidezza di un impalcato costituito da sette telai di cemento armato basati sul modello teorico "shear-type", osservare la collocazione del suo centro delle rigidezze rispetto al centro di massa, e la sua capacità di rispondere alle sollecitazioni orizzontali (in particolar modo, quelle sismiche). L'impalcato è il seguente:

I pilastri sono tutti di sezione rettangolare 30x50 cm, alcuni disposti lungo x, altri lungo y, come si piò osservare dalla pianta, e la loro altezza è di 300 cm.

Nel primo step della tabella Excel, vengono richiesti i dati riguardanti la geometria e i materiali dei vari telai: l'altezza h, il modulo plastico E (da materiale, 21000 N/mmq) e i momenti d'inerzia I (per la sezione rettangolare bh³/12, quindi 312500 cm⁴ quello maggiore, 112500 cm⁴ quello minore).

La tabella è quindi in grado di  calcolare la rigidezza traslante di ogni telaio , che si ottiene dalla formula: 

                                                                            

Questo perché si assume il modello "shear-type", nel quale ogni pilastro ha una rigidezza pari a 12EI/h³.

Ogni telaio è in grado di opporsi a sforzi orizzontali paralleli al suo sviluppo (possiamo quindi rappresentare ogni telaio con una molla che ostacola gli spostamenti):

E' ora necessario calcolare le coordinate X e Y del centro di massa G, che si calcolano tenendo conto dei due centri G1 e G2 dei due rettangoli (si decide di far coincidere il centro di massa con quello d'area), ed inserendoli nella formula per il centro di un sistema di vettori paralleli:

                                                             

 

Il centro di massa risulta quindi di coordinate (8,13 m ; 4,13 m)

Dopo aver trovato G, serve trovare anche il centro delle rigidezze C, con la stessa formula del centro del sistema di vettori paralleli, i cui dati vengono raccolti nella tabella dello step 2 di cui sopra:

                                                                     

Il centro delle rigidezze C risulta avere coordinate (9,08 m; 2,94 m). In seguito viene mostrata la reciproca posizione di G e C nell'impalcato:

Una buona progettazione impone che i due centri non abbiano una distanza troppo elevata, onde limitare (o addirittura, annullare) la rotazione rigida dell'impalcato, e di conseguenza momenti torcenti sui pilastri, sottoponendo la struttura a sola traslazione pura. In questo caso la distanza è accettabile, anche se l'impalcato tende comunque a ruotare: è necessario allora calcolare la sua rigidezza torsionale come mostrato nella tabella dello step 4 di cui sopra.

Il foglio Excel calcola quindi prima le distanze dei controventi dal centro delle rigidezze, in modo da poter applicare la formula seguente:

                                                 

La rigidezza torsionale totale risulta quindi 7877467,28 KNm.

Lo step 5 riguarda il calcolo dell'entità del carico sismico dell'impalcato, per il quale è necessario conoscere i carichi strutturali qs, i carichi permanenti non strutturali qp ed i carichi accidentali qa: si considera un solaio in laterocemento (vedere esercitazioni 2 e 3 per dettagli) ad uso residenziale, ovvero:

qs=1,86 KN/mq, qp=1,91 KN/mq, qa=2 KN/mq.

Essi devono essere moltiplicati per l'area dell'edificio in modo da ottenere  i carichi totali G = 452,4 KN e Q = 240 KN, a loro volta sommati e moltiplicati per il coefficiente di contemporaneità 0,8 per avere il valore del peso sismico W = 644,4 KN; infine è necessario moltiplicare per il coefficiente d'intensità sismica c, che dipende dall'area geografica e dalla sua sismicità (in questo caso vale 0,1) fino ad ottenere lo sforzo sismico orizzontale F =64,44 KN.

Gli step 6 e 7 calcolano i valori degli spostamenti orizzontali e verticali e della rotazione dell'impalcato applicando la forza F sul centro di massa G, rispettivamente lungo l'asse X e lungo l'asse Y, con le formule qui riportate:

Il momento torcente M che appare nella formula ha come forza la forza sismica F e come braccio la distanza tra centro di massa e centro delle rigidezze, e vale quindi -61,34 KNm.

La tabella quindi calcola la forza sui singoli controventi (sempre una volta per Fx e una per Fy) e per fare ciò utilizza le seguenti formule nel caso della forza lungo X: 

                

rispettivamente per i controventi orizzontali e quelli verticali;  Lo stesso principio si applica con la forza lungo Y: