SdC(b) (LM PA)

TELAIO CALCESTRUZZO ARMATO

DIMENSIONAMENTO TRAVI CALCESTRUZZO ARMATO

Stratigrafia solaio:

Intonaco (2cm)

Solaio in laterocemento

Isolante acustico (6cm)

Massetto (4cm)

Pavimentazione in gres porcellanato (2cm)

CALCOLO DEL CARICO LIMITE ULTIMO

q_u = (1,3 x q_s + 1,5 x q_p + 1,5 x q_a) x i

i = 4m (vedi pianta strutturale)

Calcolo del carico strutturale:

q_s = (V_costola + V_soletta)  x g_calcestruzzo + V_laterizio  x g_laterizio

q_s = [(0,05m x 0,5m x 1m) x 2 + (0,2m x 0,1m x 1m) x 2] x 12 kN/m³ +  [(0,4m x 0,2m x 1m) x 2] x 25 kN/m³ = 3,058 kn/m²

Calcolo del carico permanente:

P_solaio (per 1m²) = P_intonaco + P_isolante + P_massetto + P_pavimento + P_impianti + P_tramezzi

P_intonaco = (0,01m x 1m x 1m) x 18 kn/m³ = 0,18 kn/m²

P_isolante = (0,06m x 1m x 1m) x 0,5 kn/m³ = 0,02 kn/m²

P_massetto = (0,04m x 1m x 1m) x 18 kn/m³ = 1,08 kn/m²

P_pavimento = (0,02m x 1m x 1m) x 23 kn/m³ = 0,46 kn/m²

P_impianti = 0,5 kn/m²

P_tramezzi = 0,6 kn/m²

q_p = 2,84 kN/m²

Individuazione del carico accidentale:

q_a = 2 kN/m² (uso residenziale)

Calcolo del carico limite ultimo:

q_u = (1,3 x q_s + 1,5 x q_p + 1,5 x q_a) x i

q_u = (1,3 x 3,058 kN/m² + 1,5 x 2,84 kN/m² + 1,5 x 2 kN/m²) x 4m = 12,7354 kN/m² x 4m = 44,9416 kN/m

CALCOLO DEL MOMENTO MASSIMO

M_max = q_u x l² / 8

l : 6m (vedi pianta strutturale)

M_max = [44,9416 kN/m x (6m)²] / 8 = 202,2372 kNm

CALCOLO DELLA TENSIONE DI PROGETTO (CALCESTRUZZO E ARMATURA)

f_yd = f_yk / 1,15

f_yk = 450N/mm²

f_yd = 450N/mm² /1,15 = 391,3043N/mm²

f_cd = 0,85 x f_yk / 1,5

f_ck = 60N/mm²

f_cd = 0,85 x 450N/mm² /1,5 = 34N/mm²

CALCOLO DELL’ALTEZZ DELLA SEZIONE DELLA TRAVE

h_{min sez. trave} = h_u + δ

Calcolo dell’altezza utile:

h_u = r x (M_max / (f_cd x b_{sez. trave}))^1/2

r = (2 / (β x (1 – β / 3)))^1/2

β = f_cd / (f_cd + f_yd / 15)

β = 34N/mm² / (34N/mm² + 391,3043N/mm² / 15) = 0,565847

r = (2 / (0,565847 x (1 – 0,565847 / 3)))^1/2 = 2,087143

b_{sez. trave} = 30cm (scelta progettuale)

h_u = 2,087143 x (202,2372 kNm x 1000 / (34N/mm² x 30cm))^1/2 = 29,38886cm

Calcolo dell’altezza minima della sezione della trave:

δ : 5cm (dimensione standard copriferro)

h_{min sez. trave} = 29,38886cm + 5cm = 34,38886cm

h_{sez. trave} = 40cm

Definita l’altezza minima si possono dunque conoscere le dimensioni della sezione rettangolare della trave in calcestruzzo armato, rispettivamente 30cm e 40cm.

ANALISI DEI CARICHI CON PESO PROPRIO DELLA TRAVE

trave_principale = A_{sez. trave} x g_{mater. trave}

A_{sez. trave} = b_{sez. trave} x h_{sez. trave}

A_{sez. trave} = 30cm x 40cm = 1200cm² = 0,12m²

trave_principale = 0,12m2 x 25kN/m3 = 3kN/m

q_{s def.} = q_s + trave_principale

q_{s def.} = 3,058kN/m + 3kN/m = 6,058knN/m

VERIFICA CON PESO PROPRIO

L’intero procedimento viene ripetuto considerando il nuovo carico strutturale individuato.

h_{min sez. trave def.} = 34,11029cm + 5cm = 39,11029cm

h_{sez. trave} = 40cm

L’altezza della sezione della trave precedentemente individuata risulta adeguata anche considerando il peso proprio della trave stessa. La trave avrà quindi una sezione di 30cm x 40cm.

DIMENSIONAMENTO PILASTRI CALCESTRUZZO ARMATO

Calcolo dell’area di influenza del pilastro maggiormente sollecitato

a = 4m (vedi pianta strutturale)

b = 6m  (vedi pianta strutturale)

A_{infl. pilastro} = a x b

A_{infl. pilastro} = 4m x 6m = 24m²

Calcolo del peso delle travi presenti nell’area di influenza

Calcolo dell’area della sezione della trave precedentemente dimensionata:

A_{sez. trave} = b_{sez. trave} x h_{sez. trave}

b_{sez. trave} = 30cm (vedi “dimensionamento travi”)

h_{sez. trave} = 40cm (vedi “dimensionamento travi”)

A_{sez. trave} = 30cm x 40cm = 1200 cm² = 0,12m²

Individuazione del peso specifico del materiale della trave:

g_{mater. trave} = 25kN/m³ (calcestruzzo armato)

Calcolo del carico a metro lineare esercitato delle travi:

trave_principale = trave_secondaria = A_{sez. Trave} x g_{mater. trave}

trave_principale = trave_secondaria = 0,12m² x 25kN/m³ = 3kN/m

Calcolo del carico esercitato dalle travi nel’area di influenza del pilastro maggiormente sollecitato:

q_travi = 1,3 x a x trave_secondaria + 1,3 x b x trave_principale

q_travi = 1,3 x 4m x 3kN/m + 1,3 x 6m x 3kN/m = 39kN

Calcolo del peso della porzione di solaio presente nell’area di influenza

q_solaio = (1,3 x q_s + 1,5 x q_p + 1,5 x q_a) x A_{infl. pilastro}

q_s = 3,058kN/m² (vedi “dimensionamento travi”)

q_p = 2,84kN/m² (vedi “dimensionamento travi”)

q_a = 2kN/m² (vedi “dimensionamento travi”)

q_solaio = (1,3 x 3,058kN/m² + 1,5 x 2,84kN/m² + 1,5 x 2kN/m²) x 24m² = 269,6496kN

CALCOLO DELLO SFORZO NORMALE AGENTE SUL PILASTRO

N = (q_travi + q_solaio) x n°_piani

n°_piani = 2 (vedi sezione strutturale)

N = (39kN + 296,6496kN) x n°_piani = 617,2992kN

CALCOLO TENSIONE DI PROGETTO

f_ck = 45 MPa

f_cd = 0,85 x f_ck / 1,5

f_cd = 0,85 x 45MPa / 1,5 = 25,5 MPa

CALCOLO DELL’AREA MINIMA DELLA SEZIONE DEL PILASTRO

Calcolo dell’area minima della sezione del pilastro maggiormente sollecitato:

Amin = N / f_cd

Amin = 617,2992kN x 10 / 25,5MPa = 242,08cm²

CALCOLO DEL VALORE MINIMO DEL RAGGIO D’INERZIA MINIMO

ρ_min = b x l / λ

l = 3m (vedi sezione strutturale)

Individuazione del valore del coefficiente b:

b = 1 (trave doppiamente appoggiata)

Calcolo della snellezza massima:

λ = p x (E / f_cd)^1/2

E = 21000MPa

λ = p x (21000MPa / 25,5MPa)^1/2 = 90,15491948

ρ_min = 1 x 3m x 100 / 90,15491948 = 3,327605cm

CALCOLO DELLA BASE E DELL’ALTEZZA DELLA SEZIONE DEL PILASTRO

b_min = (12)^1/2 x ρ_min

b_{min sez. pilastro} = (12)^1/2 x 3,327605 = 11,5cm

b_{sez. pilastro} = 15cm

h_min = A_min / b_min

h_{min sez. pilastro} = 242,08cm² / 11,5cm = 6,916518cm

h_{sez. pilastro} = 15cm

A_design = b_{sez. pilastro} x h_{sez. pilastro}

A_design = 15cm² x 15cm² = 225cm²

CALCOLO DEL MOMENTO D’INERZIA MINIMO

I_design = b³ x h / 12

I_design = (15cm)³ x 15cm / 12 = 4218cm⁴

CALCOLO DELLA TENSIONE MASSIMA

ρ_max = N / A_design + M_t / W_x

Calcolo del momento trasmesso dalla trave al pilastro (in questo caso qxl²/12):

M_t = q_u x b² / 12

q_u = 44,9416 kN/m (vedi “dimensionamento travi”)

b = 6m (vedi pianta strutturale)

M_t = 44,9416 kN/m x (6m)² / 12 = 134,8248 kNxm

Calcolo del modulo di resistenza a flessione (sezione rettangolare, bxh/6):

W_max = b_{sez. pilastro} x h_{sez. pilastro}² / 6

W_max = 15cm x (15cm)² / 6 = 562,5cm⁴

ρ_max = (617,2992kN / 225cm²) x 10 + (134,8248 kNxm / 562,5cm⁴) x 1000 = 267,1241MPa

VERIFICA: LA TENSIONE MASSIMA DEVE ESSERE MINORE DELLA TENSIONE DI PROGETTO

ρ_max < f_cd ?

No! Poiché:

267,1 MPa > 25,5 MPa

La tensione massima è in questo caso maggiore della tensione di progetto precedentemente individuata. Per soddisfare la condizione posta bisogna quindi variare le dimensioni della sezione del pilastro.

h_{sez. pilastro} = 15cm + 10cm = 25cm

b_{sez. pilastro} = 15cm + 10cm = 25cm

ρ_max < f_cd ?

No! Poiché:

61,6 MPa > 25,5 MPa

Aumentando ulteriormente le dimensioni:

h_{sez. pilastro} = 15cm + 20cm = 35cm

b_{sez. pilastro} = 15cm + 20cm = 35cm

Ripetendo il procedimento con queste due dimensioni si ricava che:

ρ_max < f_cd poiché 23,9 MPa < 25,5 MPa

Le nuove dimensioni soddisfano le condizioni poste. Il pilastro avrà quindi una sezione di 35 cm x 35cm.

TELAIO LEGNO

DIMENSIONAMENTO TRAVI LEGNO

Stratigrafia solaio:

Pannello gessofibra (1,2cm)

Lana di vetro (10cm)

Legno di abete copertura su travetti (2,4cm)

Legno da costruzione (20cm)

OSB (2cm)

Isolante acustico (3cm)

Massetto (4cm)

Pavimentazione in gres porcellanato (2cm)

CALCOLO DEL CARICO LIMITE ULTIMO

q_u = (1,3 x q_s + 1,5 x q_p + 1,5 x q_a) x i

i = 4m (vedi pianta strutturale)

Calcolo del carico strutturale:

q_s = V_abete  x g_abete + V_OBS x g_OBS + V_{legno costr.}  x g_{legno costr.}

q_s = (0,018m x 1m x 1m) x 6 kN/m³ + (0,02m x 1m x 1m) x 5,5 kN/m³ + [(0,2m x 0,04m x 1m) x 2] x 6 kN/m³ = 0,35 kN/m²

Calcolo del carico permanente:

P_solaio (per 1m²) = P_gessofibra + P_{lana di vetro} + P_isolante + P_massetto + P_pavimento + P_impianti + P_tramezzi

P_gessofibra = 0,15 kN/m²   (http://www.fermacell.it/lastre_gessofibra_1331.php)

P_{lana di vetro} = (0,1m x 1m x 1m) x 1 kN/m³ = 0,1 kN/m²   (http://www.sigmundcarlo.net/CA/II/B13.pdf)

P_isolante = 0,07 kg/m² (http://www.fonoisolamento.it/37/flypagepbvv2tpl/shopproduct_details/412)

P_massetto = (0,04m x 1m x 1m) x 18 kn/m³ = 1,08 kn/m²

P_pavimento = (0,02m x 1m x 1m) x 23 kn/m³ = 0,46 kn/m²

P_impianti = 0,5 kn/m²

P_tramezzi = 0,6 kn/m²

q_p = 2,96 kN/m²

Individuazione del carico accidentale:

q_a = 2 kN/m² (uso residenziale)

Calcolo del carico limite ultimo:

q_u = (1,3 x q_s + 1,5 x q_p + 1,5 x q_a) x i

q_u = (1,3 x 3,058 kN/m² + 1,5 x 2,84 kN/m² + 1,5 x 2 kN/m²) x 4m = 12,7354 kN/m² x 4m = 31,58 kN/m

CALCOLO DEL MOMENTO MASSIMO

M_max = q_u x l² / 8

l : 6m (vedi pianta strutturale)

M_max = [31,58kN/m x (6m)²] / 8 = 142,11kNxm

CALCOLO DELLA TENSIONE DI PROGETTO

f_d = k_mod x f_mk / γ_m

f_mk = 28Kn/mm²

k_mod = 0,70 (EN 14080: legno lamellare, classe di durata del carico “lunga”, classe di servizio “2”)

γ_m = 1,45 (legno lamellare incollato)

f_d = 0,7 x 28kNxm / 1,45 = 13,51N/mm²

CALCOLO DELL’ALTEZZ DELLA SEZIONE DELLA TRAVE

h_{min sez. trave} = (6 x M_max / b_{sez. trave} x f_d)^1/2

b_{sez. trave} = 30cm (scelta progettuale)

h_{min sez. trave} = (6 x 28kNxm x 1000 / 30cm  x 13,51N/mm²)^1/2 = 45,85464

h_{sez. trave} = 50cm

Definita l’altezza minima si può dunque conoscere la sezione rettangolare della trave in legno lamellare, in questo caso di 30cm x 50cm.

DIMENSIONAMENTO PILASTRI legno

Calcolo dell’area di influenza del pilastro maggiormente sollecitato

a = 4m (vedi pianta strutturale)

b = 6m  (vedi pianta strutturale)

A_{infl. pilastro} = a x b

A_{infl. pilastro} = 4m x 6m = 24m²

Calcolo del peso delle travi presenti nell’area di influenza

Calcolo dell’area della sezione della trave precedentemente dimensionata:

A_{sez. trave} = b_{sez. trave} x h_{sez. trave}

b_{sez. trave} = 30cm (vedi “dimensionamento travi”)

h_{sez. trave} = 50cm (vedi “dimensionamento travi”)

A_{sez. trave} = 30cm x 50cm = 1500 cm² = 0,15m²

Individuazione del peso specifico del materiale della trave:

g_{mater. trave} = 6kN/m³ (legno lamellare incollato)

Calcolo del carico a metro lineare esercitato delle travi:

trave_principale = trave_secondaria = A_{sez. Trave} x g_{mater. trave}

trave_principale = trave_secondaria = 0,15m² x 6kN/m³ = 0,9kN/m

Calcolo del carico esercitato dalle travi nel’area di influenza del pilastro maggiormente sollecitato:

q_travi = 1,3 x a x trave_secondaria + 1,3 x b x trave_principale

q_travi = 1,3 x 4m x 0,9kN/m + 1,3 x 6m x 0,9kN/m = 11,7kN

Calcolo del peso della porzione di solaio presente nell’area di influenza

q_solaio = (1,3 x q_s + 1,5 x q_p + 1,5 x q_a) x A_{infl. pilastro}

q_s = 0,35kN/m² (vedi “dimensionamento travi”)

q_p = 2,96kN/m² (vedi “dimensionamento travi”)

q_a = 2kN/m² (vedi “dimensionamento travi”)

q_solaio = (1,3 x 0,35kN/m² + 1,5 x 2,96kN/m² + 1,5 x 2kN/m²) x 24m² = 189,48kN

CALCOLO DELLO SFORZO NORMALE AGENTE SUL PILASTRO

N = (q_travi + q_solaio) x n°_piani

n°_piani = 2 (vedi sezione strutturale)

N = (39kN + 189,48kN) x n°_piani = 402,36kN

CALCOLO TENSIONE DI PROGETTO

f_c0d = k_mod x f_c0k / γ_m

f_c0k = 26,5Kn/mm² (UNI EN 1194: legno lamellare GL28h)

k_mod = 0,70 (EN 14080: legno lamellare, classe di durata del carico “lunga”, classe di servizio “2”)

γ_m = 1,45 (legno lamellare)

f_c0d = 0,7 x 26,5kNxm / 1,45 = 12,7931N/mm²

CALCOLO DELL’AREA  MINIMA DELLA SEZIONE DEL PILASTRO

Calcolo dell’area minima della sezione del pilastro maggiormente sollecitato:

Amin = N / f_cd

Amin = 402,36kN x 10 / 26,5MPa = 314,5132cm²

CALCOLO DEL VALORE MINIMO DEL RAGGIO D’INERZIA MINIMO

ρ_min = b x l / λ

l = 3m (vedi sezione strutturale)

Individuazione del valore del coefficiente b:

b = 1 (trave doppiamente appoggiata)

Calcolo della snellezza massima:

λ = p x (E / f_c0d)^1/2

E = 10200MPa (UNI EN 1194: legno lamellare GL28h)

λ = p x (10200MPa / 12,7931MPa)^1/2 = 88,70784

ρ_min = 1 x 3m x 100 / 88,70784 = 3,381888cm

CALCOLO DELLA BASE E DELL’ALTEZZA DELLA SEZIONE DEL PILASTRO

b_min = (12)^1/2 x ρ_min

b_{min sez. pilastro} = (12)^1/2 x 3,381888cm = 11,715

b_{sez. pilastro} = 20cm

h_min = A_min / b_min

h_{min sez. pilastro} = 314,5132cm² / 20cm = 15,726cm

h_{sez. pilastro} = 20cm

A_design = b_{sez. pilastro} x h_{sez. pilastro}

A_design = 20cm² x 20cm² = 400cm²

CALCOLO DEL MOMENTO D’INERZIA MINIMO

I_design = b³ x h / 12

I_design = (20cm)³ x 20cm / 12 = 13333,3cm⁴

Il pilastro in legno lamellare avrà quindi sezione 20cm x 20cm.

TELAIO ACCIAIO

DIMENSIONAMENTO TRAVI ACCIAIO

Stratigrafia solaio:

Pannello gessofibra (1,2)

IPE 160

Lamiera grecata (5cm)

Soletta in cls (5cm)

Isolante acustico (6cm)

Massetto (4cm)

Pavimentazione in gres porcellanato (2cm)

CALCOLO DEL CARICO LIMITE ULTIMO

q_u = (1,3 x q_s + 1,5 x q_p + 1,5 x q_a) x i

i = 4m (vedi pianta strutturale)

Calcolo del carico strutturale:

q_s = V_soletta x g_calcestruzzo + V_lamiera  x g_acciaio  + V_IPE160  x g_acciaio

q_s = (0,08m x 1m x 1m) x 25 kN/m³ + (0,001m x 1m x 1m) x 78,5 kN/m³ + [(0,00201m² x 1m) x 2] x 78,5 kN/m³ = 2,388 kn/m²

Calcolo del carico permanente:

P_solaio (per 1m²) = P_gessofibra + P_isolante + P_massetto + P_pavimento + P_impianti + P_tramezzi

P_gessofibra = 0,15 kN/m²

P_isolante = (0,06m x 1m x 1m) x 0,5 kn/m³ = 0,02 kn/m²

P_massetto = (0,04m x 1m x 1m) x 18 kn/m³ = 1,08 kn/m²

P_pavimento = (0,02m x 1m x 1m) x 23 kn/m³ = 0,46 kn/m²

P_impianti = 0,5 kn/m²

P_tramezzi = 0,6 kn/m²

q_p = 2,81 kN/m²

Individuazione del carico accidentale:

q_a = 2 kN/m² (uso residenziale)

Calcolo del carico limite ultimo:

q_u = (1,3 x q_s + 1,5 x q_p + 1,5 x q_a) x i

q_u = (1,3 x 2,388 kN/m² + 1,5 x 2,81 kN/m² + 1,5 x 2 kN/m²) x 4m = 10,3194 kN/m² x 4m = 41,2776 kN/m

CALCOLO DEL MOMENTO MASSIMO

M_max = q_u x l² / 8

l : 6m (vedi pianta strutturale)

M_max = [41,2776 kN/m x (6m)²] / 8 = 185,7492 kNm

CALCOLO DELLA TENSIONE DI PROGETTO

f_d = f_y,k / γ_m

f_d = f_yk / 1,05

f_yk = 275N/mm²

f_d = 275N/mm² / 1,05 = 261,9047N/mm²

CALCOLO IL MODULO DI RESISTENZA A FLESSIONE DELLA SEZIONE DELLA TRAVE

W_x,min = M_max / f_d = 709,22cm³

W_{x sez. trave} = 713cm³

Ci si riferisce al sagomario IPE per la scelta della trave con W_x  immediatamente superiore a W_x,min (709,22cm³), in questo caso una IPE 330.

DIMENSIONAMENTO PILASTRI ACCIAIO

Calcolo dell’area di influenza del pilastro maggiormente sollecitato

a = 4m (vedi pianta strutturale)

b = 6m  (vedi pianta strutturale)

A_{infl. pilastro} = a x b

A_{infl. pilastro} = 4m x 6m = 24m²

Calcolo del peso delle travi presenti nell’area di influenza

Calcolo dell’area della sezione della trave precedentemente dimensionata:

A_{sez. trave} = 0,006261m²

Individuazione del peso specifico del materiale della trave:

g_{mater. trave} = 78,50kN/m³ (acciaio)

Calcolo del carico a metro lineare esercitato delle travi:

trave_principale = trave_secondaria = A_{sez. Trave} x g_{mater. trave}

trave_principale = trave_secondaria = 0,006261m² x 78,50kN/m³ = 0,4915kN/m

Calcolo del carico esercitato dalle travi nel’area di influenza del pilastro maggiormente sollecitato:

q_travi = 1,3 x a x trave_secondaria + 1,3 x b x trave_principale

q_travi = 1,3 x 4m x 0,4915kN/m + 1,3 x 6m x 0,4915kN/m = 6,3893 kN

Calcolo del peso della porzione di solaio presente nell’area di influenza

q_solaio = (1,3 x q_s + 1,5 x q_p + 1,5 x q_a) x A_{infl. pilastro}

q_s = 2,388kN/m² (vedi “dimensionamento travi”)

q_p = 2,81kN/m² (vedi “dimensionamento travi”)

q_a = 2kN/m² (vedi “dimensionamento travi”)

q_solaio = (1,3 x 2,388kN/m² + 1,5 x 2,81kN/m² + 1,5 x 2kN/m²) x 24m² = 247,6656kN

CALCOLO DELLO SFORZO NORMALE AGENTE SUL PILASTRO

N = (q_travi + q_solaio) x n°_piani

n°_piani = 2 (vedi sezione strutturale)

N = (6,3893kN + 247,6656kN) x n°_piani = 508,1099kN

CALCOLO TENSIONE DI PROGETTO

f_yk = 275 MPa

f_yd = f_yk / 1,05

f_yd = 275MPa / 1,05 = 261,9048 MPa

CALCOLO DELL’AREA MINIMA DELLA SEZIONE DEL PILASTRO

Calcolo dell’area minima della sezione del pilastro maggiormente sollecitato:

Amin = N / f_yd

Amin = 508,1099kN x 10 / 261,9048MPa = 19,40056cm²

CALCOLO DEL VALORE MINIMO DEL RAGGIO D’INERZIA MINIMO

ρ_min = b x l / λ

l = 3m (vedi sezione strutturale)

Individuazione del valore del coefficiente b:

b = 1 (trave doppiamente appoggiata)

Calcolo della snellezza massima:

λ = p x (E / f_yd)^1/2

E = 210000MPa

λ = p x (210000MPa / 261,9048MPa)^1/2 = 88,95858

ρ_min = 1 x 3m x 100 / 88,95858 = 3,372356cm

CALCOLO DEL MOMENTO D’INERZIA MINIMO

I_min = A_min x ρ_min²  

I_min = 19,40056cm²  x (3,372356cm)²  = 220,6384cm⁴

Una volta individuato il valore minimo del momento di inerzia minimo posso conoscere i seguenti valori consultato il sagomario.

A_design = 25,34cm²

I_design = 230,9cm⁴

ρ_{min design} = 3,02cm

λ = b x l / ρ_{min design}

λ = 1 x 3m x 100 / 3,02cm = 99,33775 (< 200, ok)

Grazie ai dati trovati è possibile individuare sul sagomario il profilo adeguato, in questo caso una HEA 120.

Lo scopo dell'esercitazione è progettare e verificare la trave più sollecitata, soggetta a flessione e il pilastro più sollecitato, soggetto a sforzo normale, del telaio, utilizzando sezioni in legno, acciaio e c.a.

                                                                              TELAIO:TRAVE PIU’ SOLLECITATA                                                                                                                                                                                                                                               TELAIO: PILASTRO PIU’ SOLLECITATO

PREDIMENSIONAMENTO DELLA TRAVE PIU' SOLLECITATA

La trave evidenziata in figura è la più sollecitata dell'impalcato ed ha un'area di influenza di 4,00m x 5,00m = 20,00m²

TABELLA MOMENTI MASSIMI PER LE TRAVI PIU’ SOLLECITATE

1.     Legno

Come prima operazione calcoliamo i carichi permanenti strutturali(trascurando il peso proprio della trave), permanenti non strutturali ed accidentali

Carichi permanenti strutturali:

-Travetto in legno: (8x18)cm, peso specifico 5,5KN/m³, interasse 70,5cm

q_s,tr = (0,18m x 0,08m)/m² x 5,5KN/m³ = 0,08KN/m²

-Soletta in Fibrogesso: spessore 3 cm, peso specifico 11,5KN/m³

q_s,f = 0,03m x 11,5KN/m³ = 0,35KN/m²

Moltiplico per 2 avendo 2 solette: 0,35 x 2= 0,69 KN/m³

Il carico strutturale totale:

q_s = q_s,tr + q_s,f = (0,08+0,69)KN/m²  = 0,8KN/m²

Carichi permanenti non strutturali:

-Massetto di allettamento in malta di cemento: spessore 10cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,ma = 0,1m x 20KN/m³ = 2KN/m²

-Pavimento in gres porcellanato: spessore 2cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,pa = 0,02m x 20KN/m³ = 0,40KN/m²

Il carico permanente non strutturale totale a cui aggiungo l'incidenza di impianti, tramezzi e controsoffitto:

q_p = q_p,ma + q_p,pa + q_p,im  + q_p,tr  + q_p,c   = (2+0,40+0,1+1,6+0,06)KN/m²  = 4,16KN/m²

Carichi accidentali:

-Ipotizziamo che la destinazione d'uso sia quella di civile abitazione, quindi il carico accidentale q_a = 2KN/m²

• Inserendo tutti i dati ricavati nel foglio di calcolo excel ricaviamo il carico

     q_u = 41,12KN/m agente sulla trave.

Introducendo come valore la luce di 5m otteniamo il valore del M_max = 128,5KN*m        

Scelgliamo la tipologia di legno C24, inserisco il valore caratteristico di resistenza f_m,K=24N/mm², il coefficiente diminutivo K_mod=0,6 (dipende dalla classe d’uso della trave, è un coefficiente correttivo dei valori di resistenza del materiale considerando l'aggravio delle condizioni esterne d'esercizio come particolari condizioni di carico e umidità) e il coefficiente parziale di sicurezza γ_m=1,45 in modo che il foglio di calcolo mi restituisca la tensione di progetto f_d=9,9310345N/mm² tramite la formula: f_md = k_mod x f_mk /γ_m = 13,24 N/mm²

Come passo successivo scegliamo la base della trave b=30cm e ricavo l'altezza minima h_min=50,87cm tramite la formula H_min = √6 M_max / fmd x b

Ingegnerizzando la sezione ricavata scegliamo una trave 30x55cm.

Calcoliamo il peso proprio della trave e lo aggiungiamo al carico permanente strutturale q_s: 

q_s,trave = (0,30m x 0,55m )/m² x 6KN/m³ = 0.99KN/m²

quindi

q_s  + q_s,trave = (0,8+0.99)KN/m²= 1,79KN/m²

inserendo il nuovo q_s verifico che il nuovo h_min=53,96cm<h=55cm  

VERIFICATA

TABELLA CALCOLO DEL PREDIMENZIONAMENTO DELLA SEZIONE DELLA TRAVE IN LEGNO

1. Acciaio

Come prima operazione calcoliamo i carichi permanenti strutturali(trascurando il peso proprio della trave), permanenti non strutturali ed accidentali.

Carichi permanenti strutturali:

-Lamiera grecata: altezza 5,5 cm, spessore 8mm

q_s,la = 0,11 KN/m²

-Soletta in cls.a.: altezza: 0,65+0,55 peso specifico 25KN/m³

q_s,ca = [(0,65+0,55)/2] x 25 KN/m³ = 2,32KN/m²

Il carico strutturale totale:

q_s = q_s,la + q_s,ca  = (0,11+2,32)KN/m² = 2,42KN/m²

Carichi permanenti non strutturali:

-Massetto di allettamento in malta di cemento: spessore 10cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,ma = 0,1m x 20KN/m³ = 2KN/m²

-Pavimento in gres porcellanato: spessore 2cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,pa = 0,02m x 20KN/m³ = 0,40KN/m²

Il carico permanente non strutturale totale a cui aggiungo l'incidenza di impianti, tramezzi e controsoffitto:

q_p = q_p,ma + q_p,pa + q_p,im  + q_p,tr  + q_p,c   = (2+0,40+0,1+1,6+0,06)KN/m²  = 4,16KN/m²

Carichi accidentali:

-Ipotizziamo che la destinazione d'uso sia quella di civile abitazione, quindi il carico accidentale q_a = 2KN/m²

Inserendo tutti i dati ricavati nel foglio di calcolo excel ricavo il carico

q_u = 49,544KN/m agente sulla trave.

Introducendo come valore la luce di 5m otteniamo il valore del momento massimo

M_max = 154,825KN*m         

Scelgo la tipologia di acciaio S275, inserisco il suo valore di tensione di snervamento f_y,K=275MPa, si trova così la tensione di progetto 

f_d = f_yk /γ_s = 275/1,15 = 261,9 N/mm ²

dove γ_s = 1,15 coefficiente parziale di sicurezza dell'acciaio.

Ricavare dal foglio di calcolo il modulo di resistenza a flessione minimo rispetto all'asse x.

W_x,min = M_max / f_d = 591,15 cm³

Considerando W_x,min troviamo nella tabella dei profilati metallici un profilato con W_x > W_x,min

IPE 330 con W_x = 713,1 cm³

Calcolo il peso proprio della trave e lo aggiungo al carico permanente strutturale q_s:

q_s,trave = (0,006261m² )/m² x 78,5KN/m³ = 0, 49KN/m²

quindi

q_s  + q_s,trave = (2,42+0,49)KN/m²=2.9KN/m²

 inserendo il nuovo q_s verifico che il nuovo W_x,min=620,93cm³<W_x=713,1cm³ 

VERIFICATA

TABELLA CALCOLO DEL PREDIMENZIONAMENTO DELLA SEZIONE DELLA TRAVE IN ACCIAIO

1. Calcestruzzo armato

Come prima operazione calcolo i carichi permanenti strutturali(trascurando il peso proprio della trave), permanenti non strutturali ed accidentali

Carichi permanenti strutturali:

-Soletta: altezza: 4cm, peso specifico 25N/m³:

q_s,s =0.4 m x 25KN/m³ =1KN/m²

-Pignatta in laterizio: dim 20cm x 38cm, peso specifico 8KN/m², interasse 0,5m: q_s,pi =[( 0,38 x 0,2)/0.5] x 8KN/m²=1,2KN/m²

-Travetti.: dim 12x20cm, peso specifico 25KN/m³

q_s,t r= [(0,12 x 0,2) x 0,5]  x 25 KN/m³ = 1,2KN/m²

Il carico strutturale totale: q_s = q_s,tr + q_s,pi + q_s,s  = (1,2 + 1,2 + 1)KN/m² = 3,4KN/m²

Carichi permanenti non strutturali:

-Pavimento in gres porcellanato: spessore 2cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,pa = 0,02m x 20KN/m³ = 0,40KN/m²

-Isolante acustico: spessore 3cm, peso specifico 1KN/m³

q_p,is = 0,03m x 1KN/m³ = 0,03KN/m²

-Allettamento più massetto: spessore 8+4cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,ma = 0,12m x 20KN/m³ = 2,4KN/m²

-Intonaco: spessore 2cm, peso specifico 20 KN/m³

q_p,in = 0,02m x 20KN/m³ = 0,4KN/m²

Il carico permanente non strutturale totale a cui aggiungo l'incidenza di impianti e tramezzi:

q_p = q_p,is +q_p,ma+q_p,pa +q_p,im +q_p,in =(0,03+2,4+0,4+1,6+0,4)KN/m²=4,16KN/m²

Carichi accidentali:

-Ipotizziamo che la destinazione d'uso sia quella di civile abitazione, quindi il carico accidentale q_a = 2KN/m²

Inserendo tutti i dati ricavati nel foglio di calcolo excel ricavo il carico q_u = 58,66KN/m agente sulla trave.

Introducendo come valore la luce di 5m otteniamo il valore del M_max = 183,3125KN*m      

Scelgliamo la tipologia di cemento C25/30 con resistenza caratteristica f_cK=25MPa, quindi ricavo la resistenza di progetto f_cd=19,83MPa calcolata mediante la formula: f_cd = α_cc f_ck /γ_c = 14,16 N/mm2 servendosi del coefficiente riduttivo per le resistenze di lunga durata α_cc = 0,85 e del coefficiente parziale di sicurezza del calcestruzzo γ_c = 1,5.

La scelta dell’acciaio è condizionata dalla normativa, in questo caso viene scelto il B450C con 450 MPa di limite di snervamento. Inserendo questi dati nelle caselle apposite si trova il valore f_yd. La tensione di progetto dell'acciaio f_yd = f_yk /γ_s = 450/1,15 = 391,3 N/mm 2  con il coefficiente parziale di sicurezza dell’acciaio γ_s = 1,15.

Il passaggio successivo è la scelta di una dimensione per la base della sezione b=30cm che, insieme a resistenza di progetto f_cd e parametri β e r serve per trovare l'altezza utile h_u=52,69cm che addizionata al coprifilo δ=4cm determina l'altezza minima H_min=56,69cm.

Una volta ricavata l'altezza minima andiamo ad ingegnerizzare la sezione e scegliamo un'altezza di design H_design=60cm. 

Aggiungiamo ora  il peso della trave, prima trascurato, al carico totale che diventa q_u=63,16KN/m in modo da ricavare di nuovo H_min=58,68cm e se quest'ultima dimensione è inferiore a H_design la struttura è verificata.

H_min=58,68cm< H_design=60cm  

VERIFICATA

TABELLA CALCOLO DEL PREDIMENZIONAMENTO DELLA SEZIONE DELLA TRAVE IN CEMENTO ARMATO

PREDIMENSIONAMENTO DEL PILASTRO PIU' SOLLECITATO

Per quel che concerne il predimensionamento del pilastri nei vari materiali i valori dei carichi rimangono invariati. Per calcolare lo Sforzo Normale su di essi è stata applicata la formula per calcolare lo Sforzo Normale su ogni piano:

N_{1 piano}=(A_inf x q_u) + peso_travi

Il peso delle travi era stato precedentemente calcolato nel foglio Excel sulle travi. 

L’area di influenza è pari a l_a x l_b= 4 x 4,5=18m²

Per calcolare lo Sforzo Normale sul pilastro più sollecitato abbiamo moltiplicato lo Sforzo Normale per ogni piano per il numero di piani.

Cls: N_max=906,66 KN

Acciaio: N_max=681,25 KN

Legno: N_max=548,57 KN

TABELLA SFORZI NORMALI PER I PILASTRI PIU’ SOLLECITATI

TABELLA PREDIMENZIONAMENTO PILASTRO IN ACCIAIO

TABELLA PREDIMENZIONAMENTO PILASTRO IN  LEGNO

TABELLA PREDIMENZIONAMENTO PILASTRO IN CLS

Dopo aver effettuato i calcoli su Excel abbiamo ricostruito i vari telai per ogni materiale in Sap e abbiamo controllato che i dati scelti fossero verificati.

STUDIO DELLA STRUTTURA IN ACCIAIO SU SAP

STUDIO DELLA STRUTTURA IN LEGNO SU SAP

STUDIO DELLA STRUTTURA IN CLS SU SAP

Nel caso dell’acciaio abbiamo riscontrato che il valore dello sforzo normale per il pilastro non era verificato. Allora abbiamo riportato il valore trovato in Sap nel foglio Excel e abbiamo scelto un profilato HEA 160, nonostante il profilato scelto in precedenza (HEA 140) avesse comunque un’area superiore all’area minima calcolata con il nuovo valore trovato su Sap.

Nel caso del pilastro in legno, abbiamo riscontrato che il valore dello sforzo normale per il pilastro non era verificato e allora abbiamo riportato il valore trovato da sap su excel ricalcolandoci la dimensione del pilastro in legno ma anche in questo caso abbiamo visto che nonostante l'aumento dello sforzo normale, il pilastro è comunque verificato per le dimensioni scelte in precedenza.

Stud.sse Jlaria Volpi e Giulia Mellano

Lo scopo dell'esercitazione è progettare e verificare la trave più sollecitata, soggetta a flessione e il pilastro più sollecitato, soggetto a sforzo normale, del telaio utilizzando sezioni in legno, acciaio e c.a.

La trave evidenziata in figura è la più sollecitata dell'impalcato ed ha un'area di influenza di 4,00m x 5,00m = 20,00m²

Il pilastro evidenziato in figura è il più sollecitato dell'impalcato.

1.     Legno

Come prima operazione calcoliamo i carichi permanenti strutturali(trascurando il peso proprio della trave), permanenti non strutturali ed accidentali.

Carichi permanenti strutturali:

-Travetto in legno: (8x18)cm, peso specifico 5,5KN/m³, interasse 70,5cm

q_s,tr = (0,18m x 0,08m)/m² x 5,5KN/m³ = 0,08KN/m²

-Soletta in Fibrogesso: spessore 3 cm, peso specifico 11,5KN/m³

q_s,f = 0,03m x 11,5KN/m³ = 0,35KN/m²

Moltiplico per 2 avendo 2 solette: 0,35 x 2= 0,69 KN/m³

Il carico strutturale totale:

q_s = q_s,tr + q_s,f = (0,08+0,69)KN/m²  = 0,8KN/m²

Carichi permanenti non strutturali:

-Massetto di allettamento in malta di cemento: spessore 10cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,ma = 0,1m x 20KN/m³ = 2KN/m²

-Pavimento in gres porcellanato: spessore 2cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,pa = 0,02m x 20KN/m³ = 0,40KN/m²

Il carico permanente non strutturale totale a cui aggiungo l'incidenza di impianti, tramezzi e controsoffitto:

q_p = q_p,ma + q_p,pa + q_p,im  + q_p,tr  + q_p,c   = (2+0,40+0,1+1,6+0,06)KN/m²  = 4,16KN/m²

Carichi accidentali:

-Ipotizziamo che la destinazione d'uso sia quella di civile abitazione, quindi il carico accidentale q_a = 2KN/m²

• Inserendo tutti i dati ricavati nel foglio di calcolo excel ricaviamo il carico

     q_u = 41,12KN/m agente sulla trave.

Introducendo come valore la luce di 5m otteniamo il valore del M_max = 128,5KN*m        

Scelgliamo la tipologia di legno C24, inserisco il valore caratteristico di resistenza f_m,K=24N/mm², il coefficiente diminutivo K_mod=0,6 (dipende dalla classe d’uso della trave, è un coefficiente correttivo dei valori di resistenza del materiale considerando l'aggravio delle condizioni esterne d'esercizio come particolari condizioni di carico e umidità) e il coefficiente parziale di sicurezza γ_m=1,45 in modo che il foglio di calcolo mi restituisca la tensione di progetto f_d=9,9310345N/mm² tramite la formula: f_md = k_mod x f_mk /γ_m = 13,24 N/mm²

Come passo successivo scegliamo la base della trave b=30cm e ricavo l'altezza minima h_min=50,87cm tramite la formula H_min = √6 M_max / fmd x b

Ingegnerizzando la sezione ricavata scegliamo una trave 30x55cm.

Calcoliamo il peso proprio della trave e lo aggiungiamo al carico permanente strutturale q_s: 

q_s,trave = (0,30m x 0,55m )/m² x 6KN/m³ = 0.99KN/m²

quindi

q_s  + q_s,trave = (0,8+0.99)KN/m²= 1,79KN/m²

inserendo il nuovo q_s verifico che il nuovo h_min=53,96cm<h=55cm  

VERIFICATA

1. Acciaio

Come prima operazione calcoliamo i carichi permanenti strutturali(trascurando il peso proprio della trave), permanenti non strutturali ed accidentali.

Carichi permanenti strutturali:

-Lamiera grecata: altezza 5,5 cm, spessore 8mm

q_s,la = 0,11 KN/m²

-Soletta in cls.a.: altezza: 0,65+0,55 peso specifico 25KN/m³

q_s,ca = [(0,65+0,55)/2] x 25 KN/m³ = 2,32KN/m²

Il carico strutturale totale:

q_s = q_s,la + q_s,ca  = (0,11+2,32)KN/m² = 2,42KN/m²

Carichi permanenti non strutturali:

-Massetto di allettamento in malta di cemento: spessore 10cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,ma = 0,1m x 20KN/m³ = 2KN/m²

-Pavimento in gres porcellanato: spessore 2cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,pa = 0,02m x 20KN/m³ = 0,40KN/m²

Il carico permanente non strutturale totale a cui aggiungo l'incidenza di impianti, tramezzi e controsoffitto:

q_p = q_p,ma + q_p,pa + q_p,im  + q_p,tr  + q_p,c   = (2+0,40+0,1+1,6+0,06)KN/m²  = 4,16KN/m²

Carichi accidentali:

-Ipotizziamo che la destinazione d'uso sia quella di civile abitazione, quindi il carico accidentale q_a = 2KN/m²

Inserendo tutti i dati ricavati nel foglio di calcolo excel ricavo il carico

q_u = 49,544KN/m agente sulla trave.

Introducendo come valore la luce di 5m otteniamo il valore del momento massimo

M_max = 154,825KN*m         

Scelgo la tipologia di acciaio S275, inserisco il suo valore di tensione di snervamento f_y,K=275MPa, si trova così la tensione di progetto 

f_d = f_yk /γ_s = 275/1,15 = 261,9 N/mm ²

dove γ_s = 1,15 coefficiente parziale di sicurezza dell'acciaio.

Ricavare dal foglio di calcolo il modulo di resistenza a flessione minimo rispetto all'asse x.

W_x,min = M_max / f_d = 591,15 cm³

Considerando W_x,min troviamo nella tabella dei profilati metallici un profilato con W_x > W_x,min

IPE 330 con W_x = 713,1 cm³

Calcolo il peso proprio della trave e lo aggiungo al carico permanente strutturale q_s:

q_s,trave = (0,006261m² )/m² x 78,5KN/m³ = 0, 49KN/m²

quindi

q_s  + q_s,trave = (2,42+0,49)KN/m²=2.9KN/m²

 inserendo il nuovo q_s verifico che il nuovo W_x,min=620,93cm³<W_x=713,1cm³ 

VERIFICATA

3. Calcestruzzo armato

Come prima operazione calcolo i carichi permanenti strutturali(trascurando il peso proprio della trave), permanenti non strutturali ed accidentali

Carichi permanenti strutturali:

-Soletta: altezza: 4cm, peso specifico 25N/m³:

q_s,s =0.4 m x 25KN/m³ =1KN/m²

-Pignatta in laterizio: dim 20cm x 38cm, peso specifico 8KN/m², interasse 0,5m: q_s,pi =[( 0,38 x 0,2)/0.5] x 8KN/m²=1,2KN/m²

-Travetti.: dim 12x20cm, peso specifico 25KN/m³

q_s,t r= [(0,12 x 0,2) x 0,5]  x 25 KN/m³ = 1,2KN/m²

Il carico strutturale totale: q_s = q_s,tr + q_s,pi + q_s,s  = (1,2 + 1,2 + 1)KN/m² = 3,4KN/m²

Carichi permanenti non strutturali:

-Pavimento in gres porcellanato: spessore 2cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,pa = 0,02m x 20KN/m³ = 0,40KN/m²

-Isolante acustico: spessore 3cm, peso specifico 1KN/m³

q_p,is = 0,03m x 1KN/m³ = 0,03KN/m²

-Allettamento più massetto: spessore 8+4cm, peso specifico 20KN/m³

q_p,ma = 0,12m x 20KN/m³ = 2,4KN/m²

-Intonaco: spessore 2cm, peso specifico 20 KN/m³

q_p,in = 0,02m x 20KN/m³ = 0,4KN/m²

Il carico permanente non strutturale totale a cui aggiungo l'incidenza di impianti e tramezzi:

q_p = q_p,is +q_p,ma+q_p,pa +q_p,im +q_p,in =(0,03+2,4+0,4+1,6+0,4)KN/m²=4,16KN/m²

Carichi accidentali:

-Ipotizziamo che la destinazione d'uso sia quella di civile abitazione, quindi il carico accidentale q_a = 2KN/m²

Inserendo tutti i dati ricavati nel foglio di calcolo excel ricavo il carico q_u = 58,66KN/m agente sulla trave.

Introducendo come valore la luce di 5m otteniamo il valore del M_max = 183,3125KN*m      

Scelgliamo la tipologia di cemento C25/30 con resistenza caratteristica f_cK=25MPa, quindi ricavo la resistenza di progetto f_cd=19,83MPa calcolata mediante la formula: f_cd = α_cc f_ck /γ_c = 14,16 N/mm2 servendosi del coefficiente riduttivo per le resistenze di lunga durata α_cc = 0,85 e del coefficiente parziale di sicurezza del calcestruzzo γ_c = 1,5.

La scelta dell’acciaio è condizionata dalla normativa, in questo caso viene scelto il B450C con 450 MPa di limite di snervamento. Inserendo questi dati nelle caselle apposite si trova il valore f_yd. La tensione di progetto dell'acciaio f_yd = f_yk /γ_s = 450/1,15 = 391,3 N/mm 2  con il coefficiente parziale di sicurezza dell’acciaio γ_s = 1,15.

Il passaggio successivo è la scelta di una dimensione per la base della sezione b=30cm che, insieme a resistenza di progetto f_cd e parametri β e r serve per trovare l'altezza utile h_u=52,69cm che addizionata al coprifilo δ=4cm determina l'altezza minima H_min=56,69cm.

Una volta ricavata l'altezza minima andiamo ad ingegnerizzare la sezione e scegliamo un'altezza di design H_design=60cm. 

Aggiungiamo ora  il peso della trave, prima trascurato, al carico totale che diventa q_u=63,16KN/m in modo da ricavare di nuovo H_min=58,68cm e se quest'ultima dimensione è inferiore a H_design la struttura è verificata.

H_min=58,68cm< H_design=60cm  

VERIFICATA

TABELLA MOMENTI MASSIMI PER LE TRAVI PIU’ SOLLECITATE

Per quel che concerne il predimensionamento del pilastri nei vari materiali i valori dei carichi rimangono invariati. Per calcolare lo Sforzo Normale su di essi è stata applicata la formula per calcolare lo Sforzo Normale su ogni piano:

N_{1 piano}=(A_inf x q_u) + peso_travi

Il peso delle travi era stato precedentemente calcolato nel foglio Excel sulle travi. 

L’area di influenza è pari a l_a x l_b= 4 x 4,5=18m²

Per calcolare lo Sforzo Normale sul pilastro più sollecitato abbiamo moltiplicato lo Sforzo Normale per ogni piano per il numero di piani.

Cls: N_max=906,66 KN

Acciaio: N_max=681,25 KN

Legno: N_max=548,57 KN

TABELLA SFORZI NORMALI PER I PILASTRI PIU’ SOLLECITATI

TABELLA PREDIMENZIONAMENTO PILASTRO IN CLS

TABELLA PREDIMENZIONAMENTO PILASTRO IN ACCIAIO

TABELLA PREDIMENZIONAMENTO PILASTRO IN  LEGNO

Dopo aver effettuato i calcoli su Excel abbiamo ricostruito i vari telai per ogni materiale in Sap e abbiamo controllato che i dati scelti fossero verificati.

STUDIO DELLA STRUTTURA IN ACCIAIO SU SAP

STUDIO DELLA STRUTTURA IN LEGNO

STUDIO DELLA STRUTTURA IN CLS

Nel caso dell’acciaio abbiamo riscontrato che il valore dello sforzo normale per il pilastro non era verificato. Allora abbiamo riportato il valore trovato in Sap nel foglio Excel e abbiamo scelto un profilato HEA 160, nonostante il profilato scelto in precedenza (HEA 140) avesse comunque un’area superiore all’area minima calcolata con il nuovo valore trovato su Sap.

Nel caso del pilastro in legno, abbiamo riscontrato che il valore dello sforzo normale per il pilastro non era verificato. Allora abbiamo riportato il valore trovato in Sap nel foglio Excel ricalcolandoci la dimensione del pilastro in legno, ma anche in questo caso abbiamo visto che nonostante l'aumento dello sforzo normale, il pilastro è comunque verificato per le dimensioni scelte in precedenza.

Stud.sse: Giulia Mellano e Jlaria Volpi

L'esercitazione prevede il dimensionamento della trave più sollecitata nelle differenti tipologie: acciaio, cemento armato e legno. Nel seguente schema di carpenteria la trave più sollecitata risulta quella comresa tra i pilastri B2 e B3.

Luce della trave- 5 m

Interasse- 5 m

Area di influenza- 25 mq

Come prima cosa dobbiamo determinare tutti i carichi agenti sul solaio:

- Qs- carico strutturale, dovuto al peso propsio di tutti gli elementi strutturali.

- Qp-carico permanente, è il carico dovuto al peso proprio di tutti gli elementi che  gravano sul solaio e che non hanno funzione strutturale.

- Qa- carico accidentale, carico definito dalla normativa, che dipende dalla destinazione dìuso dell'edificio.

Una volta determinati i diversi tipi di carico, li vado a moltiplicare per dei coefficienti presi dalla normativa, quindi:

                Qtot= 1,3 x Qs+ 1,5 x Qp + 1,5 x Qa = KN/m^2

Per poter ricavare il carico che agisce direttamente sulla trave moltiplico il Qtot per l'interasse, ricavando così un Qu.

Essendo una trave doppiamente appoggiata il nostro Mmax= (Qu x l^2)/8

A questo punto vado a ricavare tutti i valori necessari per le diverse tipologie.

SOLAIO IN ACCIAIO:

Carico strutturale (Qs)

- Soletta: S=100mm  ý=1500 Kg/mc

     pp: 0,1x1,5 =1,5 KN/mq

- Lamiera grecata: S=1,5mm    ý=7860 Kg/mc

   pp: 0,015x7,860= 0,119 KN/mq

  Qs= 1,6179 KN/mq

Sovraccarico Permanente (Qp)

- Pavimentazione: S=0,02m  ý=0,40 KN/mq

    pp: 0,02x0,4=0,008 KN/mq

- Massetto: S=0,4 m   ý=2100Kg/mc

   pp: 0,04x21=0,84 KN/mq

- Isolante Lana di roccia:  S=0,02m  ý=30 Kg/mc

     pp: 0,02x0,3=0,006KN/mq

- Controsoffitto:  S=0,01 m   ý= 1325 Kg/mc

     pp: 0,01x13,25=0,1325KN/mq

- Incidenza impianti= 0,5 KN/mq

- Incidenza tranmezzi= 1,00 KN/mq

Qp= 2,486 KN/mq

Sovraccarico accidentale (Qa)

Qa= 2KN/mq

Qu= 1,3 x Qs+ 1,5 x Qp + 1,5 x Qa =44,161 KN/mq

Il processo è stato eseguito utilizzando un foglio excell dal quale è stato possibile calcolare il valore del Mmax agente sulla trave e il Wxmin della sezione con il quale è stato scelto un profilato, in questo caso una IPE 330. Nella seconda riga excell aggiungo al valore di Qs il peso della trave IPE 330 diviso per l'interasse, quindi:

Qs: (1,6179+0,49)/ i= 1,7159 KN/mq

Utilizzando SAP abbiamo poi verificato che Mmax dato dal programma fosse veramente inferiore, nel mio caso ho ottenuto un valore di:

Mmax = 53 KN*m

che, rispetto al momento utilizzata in excell risulta verificata.

PILASTRO 

Il dimensionamento è stato eseguito anche per il pilastro più sollecitato, trovato lo sforzo normale, sono stati calcolati tutti i parametri necessari a definire la sezione, ho ricavato il momento di inerzia minimo ed ho cercato sul profilario una sezione con I>Imin. In base a questi dati è stato scelto un profilo HEB 240.

SOLAIO IN CALCESTRUZZO ARMATO

Sovraccarico strutturale (Qs)

- Soletta : S= 40mm    ý= 25,00 KN/mc

   pp: 25x0,04=1 KN/mq

- Travetti : S=20 mm     ý= 25,00 KN/mc

  pp: (0,16x0,1x1)x 25KN/mc= 0,4 x 2= =,8 KN/mq

- Pignatte: ý=8,00 Kg

  pp: 2x8= 16Kg = 0,16KN 

Qs= 1,96 KN/mq

Sovraccarico Permanente (Qp)

- Piastrelle: S=0,01m  ý=0,2 KN/mq

  pp: 0,01x0,2= 0,002 KN/mq

- Malta: S=0,02 m    ý=20 KN/mq

  pp: 0,02x20= 0,4 KN/mq

- Massetto: S= 0,06m   ý=25,00 KN/mc

    pp:25x0,06= 1,5 KN/mq

-Intonaco: S=0,02 m    ý=16 KN/mc

     pp: 0,02x16= 0,32 KN/mq

Incidenza tramezzi= 1,00 KN/mq

Incidenza impianti= 0,5 KN/mq

Qp= 3,762 KN/mq

Sovraccarico accidentale (Qa)

Qa= 2 KN/mq

Qu= 1,3 x Qs+ 1,5 x Qp + 1,5 x Qa =55,955 KN/mq

Anche per la tipologia in calcestruzzo armato è stato calcolato Mmax, che, ancora una volta è stato trovato considerando la trave doppiamente appoggiata quindi:

Mmax= q x l ^2 /8

Una volta inserita la resistenza caratteristica dell'armatura (fyk= 450 N/mmq) e, la resistenza caratteristica a complessione del CLS (fck= 25 N/mmq), ho ricavato l'altezza della mia trave ipotizzando una base di partenza di 40 cm, quindi H > Hmin. Ho scelto una sezione con B=40 cm ed H= 55 cm.

Il Mmax agente sulla trave ricavato dal modello SAP è di 25 KN* m e quindi è verificato per la mia sezione.

PILASTRO

Per dimensionare il pilastro più sollecitato in CLS sono sempre partita dallo sforzo normale ed ho calcolato i vari parametri, la scelta della sezione ha tenuto conto del fatto che ð < fcd, tenendo conto di  questa condizione posso verificare la sezione scelta che in questo caso è:

b= 30 cm      h= 50 cm.

SOLAIO IN LEGNO

Sovraccarico Strutturale (Qs)

- Travetto in abete: S= 16x8 cm    ý= 450 Kg/mc

     pp:0,128x4,5= 0,576 x 2= 1,152 KN/mq

Qs= 1,152 KN/mq

Sovraccarico Permanente (Qp)

- OSB: S=0,03 m    ý= 650 Kg/mc

   pp: 0,03x6,5=0,195 x 2= 0,39 KN/mq

- Isolante: S=16 cm    ý= 15 Kg/mc

    pp: 0,15x0,16= 0,024 KN/mq

Incidenza impianti= 0,5 KN/mq

Incidenza impianti= 1 KN/mq

Qp= 1,914 KN/mq

Sovraccarico accidentale (Qa)

Qa= 2 KN/mq

Qu= 1,3 x Qs+ 1,5 x Qp + 1,5 x Qa =36,843 KN/mq

Scelta la tipologia del legno posso ricavare alcuni valori caratteristici del materiale.

Imposto una base della trave b = 35 cm e tramite Hmin = √6 x Mmax / fmd x b ricavo il valore dell’altezza minima che dovrà avere la trave.
Quindi H > Hmin      Hmin = 24,48 cm
H = 50 cm

Dalla figura precedente si puù vedere il valore di Mmax agente sulle trave ricavato da SAP.

PILASTRO

Per quanto riguarda il dimensionamento del pilastro più sollecitato abbiamo  calcolato lo sforzo Normale su ogni piano,

N.1 piano = (A inf x Qu) + Peso Travi
formula in cui il Peso delle Travi è pari a = (A trave x La + A trave x Lb) x γ

Successivamente abbiamo moltiplicato lo sforzo Normale per ogni piano x il numero di piano ed ottenuto Nmax= 1784,81 KN

In un ulteriore foglio excel si è inserito come dato di partenza proprio lo sforzo Normale max per andare a ricavare le dimensioni della base e dell’altezza del pilastro in legno. In questo caso b = 35 cm e h = 50 cm 

Per ogni tipologia costruttiva è stato analizzato lo sforzo assiale agente sui pilastri attraverso SAP, per verificarne la correttezza delle diverse sezioni scelte.

Elaborato svolto in coppia: Mariucci Serena-Taiariol Beatrice

cari studenti e care studentesse, allegato troverete l'elenco delle video lezioni sul canale yoiu tube

1. Lezione _ 13/10/2015 _ Presentazione e Introduzione corso

2. Lezione _ 14/10/2015 _ Ad astra per aspera: a piccoli passi verso il progetto strutturale (I parte)  

3. Lezione _ 15/10/2015 _ Travature reticolari e  Ad astra per aspera: a piccoli passi verso il progetto strutturale

4. Lezione _ 16/10/2015 _ Ad astra per aspera: si fa presto a dire aggetti

5. Lezione _ 20 /10/2015 _ Ad astra per aspera: gli edifici non volano (I parte)

6. Lezione _ 21 /10/2015 _ Ad astra per aspera: gli edifici non volano (II parte)

7. Lezione _ 22 /10/2015 _ Introduzione trave di Eulero-Bernoulli, equazioni di equilibrio della trave di Bernoulli espresse in forma differenziale

8. Lezione _ 23 /10/2015 _ SAP2000 introduzione al programma di calcolo

9. Lezione _ 27 /10/2015 _ Isostatiche e diagrammi delle sollecitazioni (I parte)

10. Lezione _ 28 /10/2015 _ Isostatiche e diagrammi delle sollecitazioni (II parte)

11. Lezione _ 29 /10/2015 _ Isostatiche e diagrammi delle sollecitazioni(III parte), trave Gerber

12. Lezione _ 30 /10/2015 _ SAP2000: Modellazione strutture isostatiche e assegnazione materiali, sezioni e forze

13. Lezione _ 05/11/2015 _ Meccanica dei materiali, Tensione di Cauchy, forze interne ad un continuo (3D)

14. Lezione _ 06/11/2015 _ SAP2000: Modellazione telaio shear-type ed estrapolazione tabelle Excel

15. Lezione _ 10/11/2015 _ Tensioni nella trave tridimensionale, sforzo normale centrato, Principio di Saint Venant, crisi per rottura del materiale della trave, snellezza trave e instabilità euleriana

16. Lezione _ 11/11/2015 _ SAP2000: Modellazione travatura reticolare spaziale, dimensionamento aste reticolari

17. Lezione _ 12/11/2015 _ Dimensionamento di una sezione soggetta a trazione (commento IV es.), Esercitazione pilastri

18. Lezione _ 13/11/2015 _ Definizione dei carichi agenti sulle strutture civili (qs, qp, qa), coefficienti caratteristici dei materiali nelle tecnologie: legno, acciaio, calcestruzzo armato e coefficienti parziali di sicurezza

19. Lezione _ 17/11/2015

20. Lezione _ 18/11/2015

21. Lezione _ 19/11/2015 _ Progettazione e dimensionamento della sezione di travi inflesse nelle tecnologie: legno, acciaio e calcestruzzo armato, spiegazione esercitazione trave inflessa

22. Lezione _ 20/11/2015 _ Metodo delle forze (I parte)

23. Lezione _ 24/11/2015 _ Metodo delle forze (II parte)

24. Lezione _ 25/11/2015 _ Metodo delle forze e risoluzione trave continua su più appoggi con carico uniformemente distribuito (III parte)

25. Lezione _ 26/11/2015 _ Metodo delle forze e risoluzione trave continua su più appoggi con carico uniformemente distribuito e sbalzo, calcolo degli spostamenti sulle strutture isostatiche ed equazione della linea elastica

26. Lezione _ 27/11/2015 _ SAP2000: assi locali e globali utilizzati dal software, impalcato rigido 3d, constraints, graticcio di travi

27. Lezione _ 01/12/2015 _ Schemi statici noti ricavati tramite il metodo della linea elastica per la risoluzione di problemi iperstatici con il metodo delle forze

28. Lezione _ 02/12/2015 _ Schemi notevoli per risoluzione di problemi iperstatici e spiegazione III esercitazione sul dimensionamento della sezione di una trave a sbalzo nei tre materiali: legno, acciaio e cemento armato

29. Lezione _ 03/12/2015 _ Esercizi iperstatici svolti

30. Lezione _ 10/12/2015 _ Metodo delle rigidezze (I parte), telaio incernieriato e telaio Shear-type

31. Lezione _ 11/12/2015 _ Metodo delle rigidezze (II parte) e risoluzione di problemi iperstatici    

32. Lezione _ 15/12/2015 _ Metodo delle rigidezze (III parte) e risoluzione di problemi iperstatici

33. Lezione _ 16/12/2015 _ Metodo delle rigidezze: sforzo normale e comportamento del nodo incastro in un telaio shear-type

34. Lezione _ 17/12/2015 _ Metodo delle rigidezze: pilastrate e travi Vierendeel

35. Lezione _ 22/12/2015 _ Funzionamenti di una struttura sotto l’azione dei carichi orizzontali, i controventi, i centri, centro di un sistema di vettori paralleli, momento di un vettore

36. Lezione _ 07/01/2016 _ Concetto di centro delle rigidezze, esercizi svolti col metodo delle rigidezze Risposta dei controventi in un edificio

37. Lezione _ 08/01/2016 _ Corpi rigidi piani vincolati con molle, impalcati e risposta dei controventi in un edificio, rigidezze traslanti, metodo delle rigidezze per risoluzione di esercizi iperstatici,

38. Lezione _ 12/01/2016 _ Commento e spiegazione esercitazione sulla ripartizione delle forze sismiche e sulla definizione di come viene ripartita una forza orizzontale sui diversi telai che compongono una struttura, adottando metodo delle rigidezze, rigidezza della croce di Sant’Andrea

39. Lezione _ 13/01/2016 _ SAP2000: impalcato rigido 3d, centro delle rigidezze

40. Lezione _ 14/01/2016 _ Graticci di travi, la spinta sui setti

41. Lezione _ 15/01/2016 _ SAP2000: graticci

42. Lezione _ 19/01/2016 _ Gli archi e il loro comportamento

Tutte le lezioni sopra citate sono disponibili sul canale youtube “Portale di Meccanica” :

https://www.youtube.com/channel/UCrie_UMtHK_QX2tlNTQtKpg

Ci si iscrive al canale e in seguito si può accedere alla sezione Video in cui sono caricate le video lezioni registrate nell’a.a. 2015-2016

Con questa esercitazione vedremo come una forza orizzontale (ad esempio vento o sisma) si ripartiasce su un edificio, per eseguire questa analisi utilizzeremo il metodo delle rigidezze per vedere le reazioni del nostro impalcato.

L'oggetto in analisi è un edificio ad un piano con una struttura i cemento armato composta da 7 telai (3 orizzontali e 4 verticali)

Telai orizzontali    

Telaio 1o: 1-2

Telaio 2o: 3-4-5-6

Telaio 3o: 7-8-9-10

Telai vertical

Telaio 1v: 3-7

Telaio 2v: 1-4-8

Telaio 3v: 2-5-9

Telaio 4v: 6-10

Di questi telai analizzeremo le rigidezze considerandoli come modelli shear-type, un modello teorico che descrive un telaio con tutti nodi ad incastro e travi infinitamente rigide a flessione, questo ci permette di concentrarci solo sul cedimento vincolare dei pilastri (i controventi della struttura) e quindi sulla loro rigidezza.

Vediamo che la rigidezza dei telai dunque è direttamente proporzionale al modulo di Young E, al momento di inerzia I e inversamente proporzionale all'altezza h del pilastro. Per conoscere la rigidezza del nostro telaio basterà dunque sommare le rigidezze dei singoli controventi disposti sul rispettivo asse in analisi

kᵢ=12EI₁/hᶟ

k_tot=∑ᶰᵢ‗₁ kᵢ

Detto ciò visualizzo l'impalcato come un corpo rigido dotato di massa omogenea, controventato da vincoli cedevoli elasticamente rappresentabili sul piano xy come molle di adeguata rigidezza k

Prima di utilizzare il foglio excell per calcolare sistematicamente le rigidezze dei telai definisco che:

H= altezza = 3,4 m

E= Modulo di Young = 21000 N/mm²

Pilastri a sezione quadrata 30cmx30cm con un momento di inerzia unico

I= Momento d’Inerzia = b⁴/12 = 67 500 cm⁴

Una volta ricavate le rigidezze dei diversi telai riportiamo le distanze degli stessi da un punto d' origine (da noi scelto) chiamato O.

Una volta impostato questo sistema di riferimento passiamo a calcolare il centro di massa e il centro di rigidezza della struttura. Questi due punti possono essere entrambi ricavati utilizzando l'equazione per ottenere il centro di un sistema di vettori paralleli.

Per quanto riguarda il centro di massa esso coinciderà con il centro dell'area poichè abbiamo impotizzato che la densità della massa sia uniforme su tutto l'impalcato. per ricavarlo scomponiamo il corpo del nostro edificio in due figure geometriche distinte.

G1: x1= 7,5m

       y1= 8m

G2: x2= 6m

       y2= 3m

Dunque  

x_G = (Σ_i=1-nAixXGi)/ A_tot  

y_G = (Σ_i=1-nAixyGi)/ A_tot       

Per calcolare il centro delle rigidezze utilizzeremo (come introdotto precedentemente) la medesima equazione:

x_C = (Σ_i=1-nKvi x Dvi) / K_{v_tot}

y_C = (Σ_i=1-nKoi x Doi) / K_{o_tot}

Trovati i due centri noto che non coincidono, questo significa che il nostro impalcato sarà soggetto, oltre che a traslanzione, anche a rotazione, questo perchè la forza orizzontale applicata al centro della massa farà ruotare l'impalcato con perno nel centro delle rigidezze, creando un momento con braccio pari alla distanza dei due centri, questo ci dice che la configurazione ottimale per una struttura è quella in cui coincidono i due centri.

Dunque bisogna calcolare anche il valore della rigidezza torsionale K_Φ che non è altro che la sommatoria delle rigidezze dei telai moltiplicati per la rispettiva distanza (braccio) dal centro delle rigidezze

K_Φ =Σ_i=1->nK_vi x dd²_vi  +  K_o x dd²_oi

Seguendo la normativa è possibile ricavare (approssimativamente) la forza sismica che potrebbe agire sul nostro edificio. Per fare questo ho bisogno di ricavarmi la forza peso dell'edificio W, dato dalla somma del carico permanente G e del carico accidentale Q moltiplicato per un coefficente di contemporaneità  ψ,  nel nostro caso ipotizzando un ambiente ad uso commerciale il nostro edificio apparterrà alla categoria D con un coefficente ψ = 0,6

W = G + Q x ψ

La forza peso dell'edificio infine dovrà essere calcolata per un coefficente di intensità sismica c che dipende dal luogo del progetto.

F= W x c

Ricavata la forza passo a verificare la sua influenza sulla nostra struttura nei versi dei controventi da noi analizzati.

Dove :

lo spostamento orizzontale         u= F/ko_tot

Lo spostamento verticale            v= F/kv_tot

La rotazione                                     φ=M/kφ

Determinati i valori dei gradi di libertà è possibile concludere ricavando la forza sui singoli controventi nei due casi di carico.

Forza sismicalungo l’asse x

reazione controventi orizontali     F_{o_n}= k_{o_n} (u+Φ x dd_{o_n})

reazione controventi verticali        F_{v_n}=k_{v_n} x Φ x dd_{v_n}

Forza sismicalungo l’asse y

reazione controventi orizontali     F_{o_n}=k_{o_n} x Φ x dd_{o_n}

reazione controventi verticali        F_{v_n}=k_{v_n}(v+ Φ x dd_{v_n})

Quando un corpo è soggetto a forze orizzontali invece che a forze verticali, le parti della struttura che sono maggiormente interessate dal fenomeno sono gli elementi verticali (pilastri)

Nella seguente spiegazione verrà mostrato il comportamento di una struttura a telaio “shear type” soggetto a forza orizzontali.

Il telaio “shear  Type” è una tipologia di struttura che considera le travi come elementi rigidi e i pilastri come elementi deformabili

Quando un corpo è soggetto a una forza orizzontale, questo cerca di opporsi al momento secondo le legge della dinamica. La capacità che ha un corpo di opporsi alla deformazione elastica provocata da una forza applicata viene chiamata rigidezza.

F = K δ

La rigidezza dipende dalle condizioni di vincolo.

Nella prima figura i pilastri hanno un incastro alla base e una cerniera terminale. Nella seconda figura invece i pilastri sono doppiamente incastrati

La seconda figura è tipica dei telai in cemento armato. I telaio in acciaio o in legno per avere questa situazione hanno bisogno di particolare accorgimenti nei nodi trave pilastro che sono più complicati.

Per via della duttilità di acciaio e legno, in genere le strutture presentano spesso un setto in cemento armato che ha una rigidezza molto più grande rispetto ai pilastri e il modello utilizzato per le travi è quello mostrato nella prima figura.

Per capire il movimento di una struttura soggetta a sforzo orizzontale è necessario sapere la posizione nel piano del Centro delle Rigidezze e del Centro della Masse. Nel modello di calcolo che viene utilizzato, e considerando il solaio come un elemento rigido, si considera come se la massa di tutto il piano fosse concentrata nel baricentro. Le forze orizzontali allo stesso modo vengono applicate nel baricentro. La resistenze al movimento della struttura possono essere considerate come applicate nel centro delle rigidezze. Se il centro delle rigidezze coincide il corpo si sposterà in maniera rigida e avrà esclusivamente movimenti di traslazione.

Nel caso i due centri non coincidessero, si genererebbe un’eccentricità che produrrebbe delle rotazioni della struttura

L’obiettivo progettuale delle strutture deve essere quello di far coincidere i due centri, o nel caso si fosse impossibilitati, di ridurre il più possibile la distanza tra centro di massa e centro di rigidezza.

Prendiamo in considerazione un telaio in cemento armato.

È stato utilizzato un foglio di calcolo che  individua il baricentro del piano del solaio e le rigidezze del telaio delle direzioni di x e y

Questo caso la struttura è abbastanza semplice e avendo utilizzato il pilastri quadrati ogni pilastro da la stessa rigidezza sia nella direzione x che nella direzione y.

Nel caso in cui la struttura fosse più complessa per via della presenza di doppie altezze o di dimensioni differenti dei pilastri rispetto alle direzioni x e y, la posizione del baricentro e del centro delle rigidezze può cambiare notevolmente. L a variazione del baricentro può essere determinata anche in presenza di asimmetrie in altezza della struttura. 

Per evitare queste forti variazioni di posizione si può agire in due modi.

Se non si vuole cambiare la geometria del solaio è necessario cercare di spostare il centro delle rigidezze il più vicino possibile al baricentro, ingrandendo i pilastri che si trovano vicini al baricentro; oppure inserire un setto. Il setto è un elemento molto più rigido rispetto a un pilastro perché, per via della geometria, ha un momento di inerzia molto più grande. Il momento di inerzia è la capacità di un corpo a resistere a una rotazione. Per una sezione rettangolare il momento di inerzia risulta essere            L’altezza scala con una dimensione al cubo. Aumentare anche di poco l’altezza di una sezione fa aumentare di molto il momento di Inerzia e quindi la sua capacità a ruotare di meno.

Lo spostamento diminuisce se la rigidezza aumenta.

δ  = F / K

Ecco perché la presenza di un setto influisce molto sul movimento della struttura.

L’altra possibilità è quello fare dei giunti nella struttura. Il giunto non è altro che una divisione della struttura. La divisione permette di dividere la struttura in geometrie più semplici così da non dover prendere particolari provvedimenti per quanto riguarda le rigidezze del telaio.

Per figure geometriche semplici come il rettangolo il baricentro è già determinato è conosciuto. Nel Nostro caso di studio non abbiamo una figura geometrica base perciò è necessario suddividere l’area in superfici più piccole con geometrie di cui si conosce la posizione del baricentro. La posizione del baricentro della struttura è una media ponderata del rapporto tra il prodotto della massa di ogni area per la distanza da un punto di riferimento O e la massa totale. 

Nel nostro caso di studio, considerando che la tipologia di solaio non varia, è possibile considerare la posizione del baricentro in base all’area di ogni suddivisione; maggiore è l’area e maggiore sarà la massa.

Per trovare il centro delle rigidezza è necessario studiare il comportamento di ogni telaio “shear type”.

Consideriamo i telai sia nella direzione x che nella direzione y. Il centro delle rigidezze è la media ponderata tra il rapporto del prodotto di ogni rigidezza di telaio per la distanza da un punti di riferimento O e la rigidezza totale.

Telaio 1o         pilastri 1 - 2 - 3
Telaio 2o         pilastri 4 - 5 - 6
Telaio 3o         pilastri 7 - 8
Telaio 4o         pilastri 9 – 10

Telaio 1v         pilastri 1 – 4 – 7 – 9
Telaio 2v         pilastri 2 – 5 – 8 – 10
Telaio 3v         pilastri 3 – 6

Di sotto sono mostrate i due telai che si presentano in verticale o in orizzontale

Come primo passo si va a determinare la rigidezza di ogni telaio.
Nel foglio di calcolo è necessario inserire come informazioni base, la rigidezza di ogni pilastri e il momento di inerzia.
Il calcestruzzo utilizzato è un C25/30 con un modulo Elastico E= 21000 Mpa e dimensioni dei pilastri 30x30 cm.
La rigidezza di ogni telaio è ottenuta sommando le rigidezze di ogni pilastro.

Successivamente si segnano le distanze delle rigidezza da un punto di riferimento O in verticale e in orizzontale.

Si determina la posizione del baricentro

Si determinano la rigidezza traslazionale e rotazionale totale della struttura

Il centro delle masse e il centro delle rigidezze non coincidono. Oltre alla traslazione rigida della struttura è presente una rotazione rigida. Sono distanti  di 20 centimetri lungo x e venti centimetri lungo y

si effettua l’analisi dei carichi sismici per ricavare la forza sismica che agisce nel centro di massa. ( per i valori di carico strutturale, permanente e accidentale vedi  http://design.rootiers.it/strutture/node/1740)

In accordo con le norme tecniche per le costruzioni N.T.C. 2008, utilizziamo la combinazione sismica per calcolare i pesi sismici.
 

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.