manuale acciaio con particolari
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Progettazione e realizzazione di solai
Prof. Ing. Riccardo Zandonini(1), Ing. Francesco Gadotti(2), Ing. Gioacchino Sarcina(2)
TECNICHE INNOVATIVE NELLA PROGETTAZIONE DI EDIFICI CON ELEMENTI SOTTILI IN ACCIAIO
Pisa, 27 maggio 2005
(1) University of Trento, Italy (2)Planning Srl, Rovereto (TN), Italy
I sistemi di solaio composti
Le strutture di solaio realizzate con la mieragrecata e getto di Calcestruzzo sono per sèabbastanza recenti, ma ormai possono ritenersisoluzioni classiche.
I sistemi di solaio composti
Lamiera in acciaioCARATTERISTICHE DELLA LAMIERA IN FASE DI MATURAZIONE DEL CALCESTRUZZO ADERENZA ACCIAIO E CALCESTRUZZOCARATTERISTICHE DEL SISTEMA COMPOSTO IN ESERCIZIO
I sistemi di solaio compostiLA LAMIERA GRECATA
I sistemi di solaio composti
IL COMPORTAMENTO DEI PROFILI SOTTILI
I sistemi di solaio composti
I sistemi di solaio compostiNUOVI CONNETTORI
I sistemi Slim Floor
Sistemi strutturali Slim Floor – lo stato dell’artee confronti prestazionaliLa campagna sperimentaleUn metodo grafico di progetto dei sistemi Slim FloorIl trasferimento dello scorrimentoFuturi sviluppi e conclusioni
I sistemi Slim Floor
Sistemi Slim Floor
Elementi di solaio
I sistemi Slim Floor
Quali vantaggi:
Semplicità e velocita di realizzazione,Spessori di solaio limitati, Possibilità di adottare luci anche elevate senza ricorrere alla puntellazione,Buona resistenza al fuoco,Elevata rigidezza e resistenza strutturale.
1. Lo stato dell’arte:sistema Hoesch
Sistema HoeschSistemi ScandinaviSistema inglese Slim FloorSistema Slim DeckSistema Trento
Luce solaio 5-6 mAltezza solaio 250 mm
Ridotto peso solaio
Maggiore altezza traveScarsa protezione al fuocoMaggiore onere per collegamento con elementiin lamiera
1. Lo stato dell’arte:sistemi scandinavi
Sistema HoeschSistemi ScandinaviSistema inglese Slim FloorSistema Slim DeckSistema Trento
Luce solaio 12-15 m
Limitata altezza traveResistenza al fuoco
Elevato peso solaioMaggior costo profilo
1. Lo stato dell’arte:sistema inglese anni 90
Sistema HoeschSistemi ScandinaviSistema inglese SlimFloorSistema Slim DeckSistema Trento
Luce solaio 12-15 m
Limitata altezza traveResistenza al fuocoProfilo acciaio poco costoso
Elevato peso solaioAcciaio sezione non ottimizzatoConnettori a taglio
1. Lo stato dell’arte:sistema inglese attuale
Sistema HoeschSistemi ScandinaviSistema inglese SlimFloorSistema Slim DeckSistema Trento
Luce solaio 6-7 m
Ridotto peso solaioResistenza al fuocoAssenza connettori
Ridotte luci solaioSezione acciaio moltopesante (per REI)
1. Lo stato dell’arte:sistema Trento
Sistema HoeschSistemi ScandinaviSistema Inglese Slim FloorSistema Slim DeckSistema Trento
Luce solaio 5-6 m con lamiera, > 12m con precompresso
Sezione acciaio ottimizzabileResistenza al fuocoRidotto spessore solaio
Presenza connettori
IL SISTEMA: I DETTAGLI
IL SISTEMA: I DETTAGLI
IL SISTEMA: I DETTAGLI
CONFRONTO TRA SISTEMI STRUTTURALI
Esempio applicativo ad una palazzina uffici
L’EDIFICIO
Caratteristiche edificioSuperficie 1540 mq22 m larghezza, 70 m lunghezza6 piani2.7 m interpiano150 mm spessore finiture
550
550
550
550
700 700 700 700 700 700 700 700 700 700
CONCRETE CORE CONCRETE CORE
L’EDIFICIO
Ipotesi progettualiEurocodes 2,3 and 4acciaio S355calcestruzzo C30/37 55
055
055
055
0
700 700 700 700 700 700 700 700 700 700
CONCRETE CORE CONCRETE CORE
L’EDIFICIO
Carichisovraccarichi 3.0 kN/mqtramezze 1.0 kN/mqPerm. portati 1.5 kN/mq 55
055
055
055
0
700 700 700 700 700 700 700 700 700 700
CONCRETE CORE CONCRETE CORE
I sistemi strutturali
Struttura in acciaioStruttura composta tradizionaleSistema HoeschSistema Slim Deck Sistema Trento
SLIM FLOOR
I sistemi strutturali
Struttura in acciaioStruttura composta tradizionaleSistema HoeschSistema Slim Deck Sistema Trento
SLIM FLOOR
I sistemi strutturali
Struttura in acciaioStruttura composta tradizionaleSistema HoeschSistema Slim Deck Sistema Trento
SLIM FLOOR
CONFRONTI ALTEZZA SOLAIO ED EDIFICIO
0.230019.60680326SLD-System
0.194 0.06319.50655305TN-System
0.189 0.24320.20785435H-System
0.332 0.76819.90730380Comp.trad.
0.486 0.98021.10770420acciaio
Peso totale struttura (kN/mq)
Sup. da proteggere al fuoco (mq/mq di solaio)
Altezza edificio (m)
Altezza totale solaio (mm)
Pacchetto strutt. (mm)
Floor System
CONFRONTIPESO ACCIAIO
0.2300.05300.0290.148SLD-System
0.194 0.04950.0290.116TN-System
0.189 0.04600.0290.114H-System
0.332 0.0460 0.1770.109Comp. Trad.
0.486 0.04600.3010.139acciaio
Totale(kN/mq)
Colonne(kN/mq)
Travi secondarie (kN/mq)
Travi principali (kN/mq)
Floor System
Prove sui giunti
4 prove su giunti interni4 prove su giunti esterni
HE 260 B
HSS 200x200x10
HE 260 B
HSS 200x200x10 0.30SFJET2
0.57SFJET1
0.30SFJEH2
0.57SFJEH1
0.30SFJIT2
0.57SFJIT1
0.30SFJIH2
0.57SFJIH1
ρ %COLUMN SHAPENODESPECIMEN
P P
P
ρ = percentuale di armatura
Attività di ricerca a Trento
2. Analisi sperimentale
CLASSIFICAZIONE DEI GIUNTI
Il modello per il calcolo dei giunti
Il metodo per componenti
Modelli per l’interazione tra la soletta e la colonna in giunti esterni
2. Analisi sperimentale
9 test su 3 campioni con diverso grado di connessione
Test su travi
Attività di ricerca a Trento
2.1 Le prove
2.2 I risultati
050
100150200250300350400450
0 25 50 75 100 125 150
δ [mm]
F[kN]
SFB1 CSFB2 CSFB3 C
δ
F F
collapse of concrete
0
40
80
120
160
200
240
280
0 25 50 75 100 125 150
δ [mm]
F[kN]
SFB1 LSFB2 LSFB3 L
δ
F
MOMENTO POSITIVO MOMENTO NEGATIVO
2.3 Conclusioni
Si può progettare i giunti in modo dagarantire un livello di semi-continuitàsufficiente ai fini dell’ottimizzazione del sistema.Si instaura un meccanismo di trasferimentodello scorrimento più efficace rispetto allesoluzioni tradizionali. E’ ipotizzabile unariduzione del numero di connettori.
Prove sperimentali su lamiere di tipo innovativo
Le prove
L’elemento di solaio
La nervatura trasversale
Prove sperimentali su lamiere di tipo innovativo
Le prove ed il collasso
Metodo di calcolo
Sezione parzializzataAcciaio (lamiera o barre aggiuntive) tesoCalcestruzzo compressoSi trascura il cls teso
CONSIDERAZIONI PROGETTUALI
Le principali verifiche
INDIVIDUAZIONE DEGLI ELEMENTI CRITICI DI PROGETTO
Verifiche SLS e SLU in fase di posaVerifiche SLS e SLU in fase di esercizioVerifica flessione trasversale piatto inferioreVerifica a taglio elementi di solaioCapacità rotazionale dei giuntiVerifica sistema di connessioneVerifica a taglio trasversale dell’ala superiore della sezione composta
LA SEZIONE COMPOSTA:il solaio
LA SEZIONE COMPOSTA:la trave
VERIFICA DELLA SEZIONE COMPOSTA: flessione
VERIFICA DELLA SEZIONE COMPOSTA: lo scorrimento
CONSIDERAZIONI PROGETTUALI
Metodo grafico per ilpredimensionamento dei sistemi
Slim Floor
IL MODELLO
kk
q
IL METODO GRAFICOLE CURVE LIMITE
CURVA LIMITE PER MOMENTO POSITIVO
q
kk1
qd
ULS+
Msd > Mrd,b
k k
Msd < Mrd,b
IL METODO GRAFICOLE CURVE LIMITE
CURVA LIMITE PER DEFORMABILITA’
SLS
k2
qd
q
k
kk
δ > δlim
δ
δ < δlim
IL METODO GRAFICOLE CURVE LIMITE
CURVA LIMITE A MOMENTO NEGATIVO
IL METODO GRAFICOL’OTTIMIZZAZIONE
Determinazione della sezione “ideale” della trave
ULS+
kid
qd
q
k
k kA
SLS
ULS(α id)
output:kid and α id
IL METODO GRAFICOIL CASO REALE
Noti i valori reali di rigidezza e resistenza del giunto èpossibile ritracciare le curve limite
kid
qd
qinput:
k
kre and α re qe and q p
output:
kre
ULS-( αre)qp
qe
k φe k
qe φe
φp
φpqp
φ req = φp + φe < φu,j
SLS
ULS+
METODO GRAFICOI DOMINI DI COMPORTAMENTO
qd
k1 k3 k
ULS-(αre)
qSLS
ULS+
k k
k k
if k1 < k < k3 the system is elastic
LA FILOSOFIA DEL METODO
Individuazione vincoli progettualiTrave in semplice appoggioOttimizzazione sistema
Riduzione peso traveIndividuazione caratteristiche “ideali” dei giunti
Il sistema “reale”
CONSIDERAZIONI PROGETTUALI
IL TRASFERIMENTO DELL’AZIONE DI SCORRIMENTO
Metodo dell’interazione parziale per le lamiere grecate
EUROCODICE 4
Metodo dell’interazione parziale per le lamiere grecate
Legame resistente considerato nelle analisi
Coesione: ∆ = 0; τ = 1 N/mm2
Aderenza:∆ = 0.22; τ = 1.65 N/mm2
Oltre il limite di aderenza non si considera la resistenza
Il trasferimento dello scorrimento nella trave
LO STUDIO NUMERICO DI TRENTO
Meccanismo di trasferimento
Il quadro fessurativo individua la formazione di bielle compresse di calcestruzzo
Il quadro fessurativo della trave
Meccanismo di trasferimento
Si individua la formazione di un traliccio tridimensionale
Il traliccio resistente
Analisi della fessurazione della trave
Si individuano anche le fessure di rottura per taglio
Modalità di collasso
Modello 1
Tensione tangenziale resistente: COESIONEPerimetro resistente: ZONA COMPRESSA
COESIONE
Modello per coesione
Modello 2
Tensione tangenziale resistente: COESIONEPerimetro resistente: CONTATTO ACCIAIO - CLS
COESIONE
Modello per coesione
Modello 3
Tensione tangenziale resistente: COESIONE E ADERENZAPerimetro resistente: CONTATTO ACCIAIO - CLS
COESIONEADERENZA
Modello per coesione ed aderenza
MAGLIA STRUTTURALE: 8.00 x 6.00 mCARICHI PERMANENTI PROPRI: 2.50 kN/m2
CARICHI PERMANENTI PORTATI: 2.50 kN/m2
CARICHI ACCIDENTALI: 3.00 kN/m2
SEZIONE RESISTENTE:Piatto inferiore: 400 x 15 mmPiatto d’anima: 210 x 10 mmPiatto superiore: 220 x 10 mmhSOLAIO: 285 mm
Esempio 1
MOMENTO SOLLECITANTE SLU: 550.88 kNm
MOMENTO RESISTENTE PLASTICO: coef. sicurezzaMpl,Rd : 574.50 kNm 1.043
MOMENTO RESISTENTE CONTATTO: coef. sicurezzaMC,Rd1 : 641.59 kNm 1.165
MC,Rd2 : 1772.40 kNm 3.217
MC,Rd3 : 2129.03 kNm 3.865
Esempio 1
MAGLIA STRUTTURALE: 10.00 x 6.00 mCARICHI PERMANENTI PROPRI: 3.30 kN/m2
CARICHI PERMANENTI PORTATI: 2.50 kN/m2
CARICHI ACCIDENTALI: 3.00 kN/m2
SEZIONE RESISTENTE:Piatto inferiore: 450 x 20 mmPiatto d’anima: 238 x 12 mmPiatto superiore: 270 x 12 mmhSOLAIO: 320 mm
Esempio 2
MOMENTO SOLLECITANTE SLU: 939.50 kNm
MOMENTO RESISTENTE PLASTICO: coef. sicurezzaMpl,Rd : 943.27 kNm 1.004
MOMENTO RESISTENTE CONTATTO: coef. sicurezzaMC,Rd1 : 1063.12 kNm 1.132
MC,Rd2 : 2721.4 kNm 2.897
MC,Rd3 : 3249.9 kNm 3.459
Esempio 2
MAGLIA STRUTTURALE: 12.00 x 6.00 mCARICHI PERMANENTI PROPRI: 3.90 kN/m2
CARICHI PERMANENTI PORTATI: 2.50 kN/m2
CARICHI ACCIDENTALI: 3.00 kN/m2
SEZIONE RESISTENTE:Piatto inferiore: 550 x 25 mmPiatto d’anima: 250 x 15 mmPiatto superiore: 265 x 25 mmhSOLAIO: 350 mm
Esempio 3
MOMENTO SOLLECITANTE SLU: 1447.38 kNm
MOMENTO RESISTENTE PLASTICO: coef. sicurezzaMpl,Rd : 1523.36 kNm 1.052
MOMENTO RESISTENTE CONTATTO: coef. sicurezzaMC,Rd1 : 1552.2 kNm 1.072
MC,Rd2 : 4343.15 kNm 3.001
MC,Rd3 : 5287.1 kNm 3.653
Esempio 3
FUTURI SVILUPPI
Prove di laboratorio per l’individuazione del corretto meccanismo di trasferimento del taglioProve di laboratorio per la determinazione del momento resistente della sezione in fase 1 e 2 a seguito della storia di carico in fase 1Caratterizzazione del comportamento dei giunti in fase 1 e 2.