Manuale acciaio con particolari

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.