CiiCostruzioni i in AiiAcciaio - docente.unicas.it · METALLICHE Materiali e Prodotti I prodotti industriali in acciaio si dividono in due categorie: a. Laminati a caldo (profilati,

Università degli Studi di Università degli Studi di CassinoCassino

Progetto di Progetto di StruttureStruttureProgetto di Progetto di StruttureStrutturegggg

C i i i A i iCostruzioni in Acciaio

di i Ernesto Grandea cura di: ing.Ernesto [email protected] // d t i it/ t dhttp://www.docente.unicas.it/ernesto_grande

Testi consigliatiTesti consigliati

1. G. Ballio, F.M. Mazzolani “Strutture in acciaio”.

2. G. Ballio, C. bernuzzi “Progettare costruzioni in acciaio. Normativa europea. Stati limite. Sagomario. Software per il calcolo”

3. E.F. Radogna “Tecnica delle costruzioni. Fondamenti delle costruzioni in acciaio”. Masson editoriale ESA

PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEMETALLICHE

Aspetti generali

Il “materiale”: elevato rapporto resistenza / peso

Strutture più leggere

Problemi di stabilitàProblemi di stabilità


Aspetti generali

VANTAGGI• riciclabilità del materiale

•rapidità di esecuzione delle strutturerapidità di esecuzione delle strutture

• la capacità dissipativa e la duttilità

e molti altri...

200

300

400

[kN

m] TSW-BCC10

WW-BCC8

200

-100

0

100

-10% -5% 0% 5% 10%

d/HM

-400

-300

-200


Aspetti generaliSVANTAGGI• trattamenti delle superfici

i t l f• resistenza al fuoco• la scarsa “cultura” in Italia

ture 1.0 Light

Weighteture 1.0 Light

WeightLight Weighte

Tem

pera

t

0.8

0 6

Weight Concrete

mpe

ratu

r e

Tem

pera

t

0.8

0 6

Weight ConcreteWeight Concrete

mpe

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r e

Hig

her T

0.4

0.6SteelNormal

Weight ConcreteR

oom

Te

Hig

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0.4

0.6SteelSteelSteelNormal

Weight Concrete

Normal Weight ConcreteR

oom

Te

0 400 800 1200 1600 2000engt

h a t

0.2

0ngth

at R

oF0 400 800 1200 1600 2000engt

h a t

0.2

0ngth

at R

oF0 400 800 1200 1600 2000

Stre

Str e

oFoCoC

0 400 800 1200 1600 2000

Stre

Str e

oFoCoC

EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.

Houston: First City National B k B ildiBank Building

6 piani

Daley Center Building (31 piani)

EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO.

CBF K i l i l 45°CBF a K sui lati – angolo a 45°(St.Louis – Missouri)

British Columbia Bldg for British Columbia Bldg for British Columbia Bldg. for British Columbia Bldg. for EXPO’86 (Vancouver)EXPO’86 (Vancouver)


Aspetti generaliClassificazione dei sistemi strutturali:

Principalmente si hanno le seguenti tipologie Principalmente si hanno le seguenti tipologie strutturali:•Strutture a telaio (a nodi rigidi o mista)•Strutture a controventi (a nodi pendolari)( p )


Aspetti generali•Strutture a controventi (a nodi pendolari)


Aspetti generali•Strutture a controventi (a nodi pendolari)


Aspetti generali

Differente meccanismo resistente nei confronti delle azioni orizzontali


Materiali e Prodotti

Gli acciai al carbonio sono leghe ferro-carbonio conpercentuale di carbonio inferiore al 2%.

Acciai da carpenteria → contenuto di carbonio 0.17% -0.22%

di lifi i itprove di qualificazione eseguite su:

Pro ette di forma e dimensioni nificateProvette di forma e dimensioni unificateElementi strutturali o parti di elementi



Principali proprietà:

T i di tt t iTensione di rottura a trazione

Tensione di snervamentoTensione di snervamento

Resilienza

Allungamento percentuale a rottura


Materiali e ProdottiPROVA DI TRAZIONE

Si esegue su provini di dimensioni normalizzateSi esegue su provini di dimensioni normalizzatericavati da profilati o lamiere.

Fase 1. andamento lineareFase 2. snervamentoFase 3. incrudimento e

strizioneFase 4. tratto discendente

Da questa prova si ricava: la tensione di snervamento e ditt il d l di l ti ità l’ ll t tt lrottura, il modulo di elasticità, l’allungamento a rottura e la

contrazione trasversale.



PROVA DI DUREZZA’ d ll llE’ una misura della resistenza opposta allapenetrazione di un altro corpo.E’ fornita dal rapporto tra la forza applicata è l’areadell’impronta lasciata dall’oggetto battente.p gg



PROVA DI PIEGAMENTOE’ una prova di flessione in campo plastico.Consiste nell’inflettere il provino in modo tale daprealizzare una cerniera plastica e farla ruotare fino ache la parte di destra e quella di sinistra raggiunganoche la parte di destra e quella di sinistra raggiunganoun angolo prefissato. Non si devono avere néscrepolature né cricchescrepolature né cricche.



PROVA D’URTOE’ necessaria per scongiurare fenomeni fragili sottoE’ necessaria per scongiurare fenomeni fragili sottodeterminate condizioni (stati pluriassiali, bassetemperature, urti).Gli acciai devono possedere una buona tenacità cheviene misurata tramite la “resilienza”, ovvero ilrapporto tra l’energia di rottura e l’area del provino.rapporto tra l energia di rottura e l area del provino.

Prova con il pendolo di CharpyProva con il pendolo di Charpy



PROVA DI FATICAPROVA DI FATICASi può avere rottura del campione sotto un certonumero di cicli di carico e scarico tali da non causarelivelli di tensione preoccupanti in campo statico.p p p

NNPROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE

oorr

METALLICHEMateriali e Prodotti

rrmmaattttiivvaaaa


oorr

METALLICHEMateriali e Prodotti

rrmmaattttiivvaaaa

sono anche funzione della sezione!!



I prodotti industriali in acciaio si dividono in duepcategorie:a Laminati a caldo (profilati barre piatti lamiere ea. Laminati a caldo (profilati, barre, piatti, lamiere e

profilati cavi).

b. Lamiere grecate e profilati formati a freddo

I primi sono di uso generale, mentre i secondipossono essere utilizzati nelle costruzioni correntievitando quelle zone in cui i carichi possono darevitando quelle zone in cui i carichi possono darluogo a deformazioni locali.



Acciai laminati a caldo prodotti in:1) Profilati2) Barre3) Larghi piatti4) Lamiere4) Lamiere5) Profili cavi

Tra i profilati più utilizzati negli edifici:1) Profilati a doppio T ad ali larghe, serie leggera (HEA)) f l d d l l h l ( )2) Profilati a doppio T ad ali larghe, serie normale (HEB)3) Profilati a doppio T ad ali larghe, serie pesante (HEM)4) P fil ti d i T d li t tt t t (IPN)4) Profilati a doppio T ad ali strette e rastremate (IPN)5) Profilati a doppio T ad ali medie e parallele (IPE)



sagomario



sagomario



sagomariosagomario


Aste semplici

Sollecitazioni, Modelli e VerificheSollecitazioni, Modelli e Verifiche


Aste semplici

Aste compresse V ifi h di STABILITA’V ifi h di STABILITA’Verifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’Aste snelle soggette a forze normali di compressioneAste snelle soggette a forze normali di compressione

Equazioni di equilibrio riferite alla configurazionedeformata (teoria del II ordine).

E’ necessario inoltre:Considerare l’effetto delle imperfezioniConsiderare l effetto delle imperfezioniIl comportamento ‘non elastico’ dell’acciaio


Aste semplici

Aste compresse V ifi h di STABILITA’V ifi h di STABILITA’Verifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’

La crisi dell’elemento non avviene per formazione diun meccanismo legato alle cerniere plastiche ma perun meccanismo legato alle cerniere plastiche ma perinstabilità dell’equilibrio.

Nota:•Il legame carichi spostamenti non è lineare;Il legame carichi spostamenti non è lineare;•Le imperfezioni impediscono il fenomeno dibiforcazione dell’equilibrio che si ha invece nel casobiforcazione dell equilibrio che si ha invece nel casodi asta ideale.


Aste semplici

Aste compresseV ifi h di STABILITA’V ifi h di STABILITA’Verifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’IMPERFEZIONIIMPERFEZIONI ASTEASTE INDUSTRIALIINDUSTRIALI

Le imperfezioni che caratterizzano le aste reali danno

IMPERFEZIONIIMPERFEZIONI‐‐ ASTEASTE INDUSTRIALIINDUSTRIALI

luogo a valori dei carichi critici minori di quelli relativial caso di asta ideale (Eulero).al caso di asta ideale (Eulero).

•Imperfezioni geometriche: linea d’asse pre‐Imperfezioni geometriche: linea d asse predeformata (L/2000 – L/500)

•Imperfezioni del materiale: tensioni residue e•Imperfezioni del materiale: tensioni residue edispersioni dei valori della tensione di snervamento.


Aste semplici

AstaAsta idealeideale:: PP

•Configurazione rettilinea•Sezione costante•Carico centrato•Materiale elasticoMateriale elasticocaricocarico criticocritico→→ 2 2/cr cP EI lπ=

dove lc è la lunghezza libera di inflessione:c g•Asta con due cerniere lc=l•Asta con due incastri l =0 5l•Asta con due incastri lc=0.5l•Asta con un incastro lc=2l


Aste semplici

AstaAsta idealeideale:: PP

2P E2 2, /cr E cP EI lπ=

2,

, 2cr E

cr EP E

Aπσλ

= =A λ

σcr

fyNon è più valida la y

formula di Eulero

λy λ


Aste semplici

Aste compresseAste compresseVerifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’ffAstaAsta realereale:: effettoeffetto delladella nonnon elasticitàelasticità

Per λ<λy sono presenti differenti teorie

T i di E KTeoria di Engesser‐Karmansi considera un modulo ridotto che dipende dallaforma della sezione oltreché dal modulo tangente edal modulo elastico. Si continua però a considerarel’asta rettilinea.


Aste semplici

Aste compresseVerifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’AstaAsta realereale:: effettoeffetto delladella nonnon elasticitàelasticità

Per λ<λy sono presenti differenti teoriePer λ<λy sono presenti differenti teorie

Teoria di Shanley‐Karmansi considera l’asta rettilinea ma con forza dicompressione esterna che aumenta senza averpraggiunto il carico critico.In questo caso come modulo ridotto vieneqconsiderato solo quello tangente.


Aste semplici

AAste compresseVerifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITA’Verifiche di STABILITAVerifiche di STABILITAAstaAsta realereale:: effettoeffetto delladella nonnon elasticitàelasticitàAstaAsta realereale:: effettoeffetto delladella nonnon elasticitàelasticità

Le prove sperimentali condotte da Stussi (1953)provarono che la teoria di Shanley‐Karman fornisce illimite inferiore della tensione critica, mentre la teoria di,Engesser‐Karman fornisce il limite superioredifficilmente però raggiungibile da un’asta reale a causad c e te pe ò agg u g b e da u asta ea e a causadelle imperfezioni geometriche.


Aste semplici

AstaAsta realereale:: effettoeffetto delledelle imperfezioniimperfezioni geometrichegeometriche

In questo caso si è in presenza di una sollecitazionecomposta (sforzo normale e flessione)

L’equazioni di equilibrio non è più omogeneaLequazioni di equilibrio non è più omogenea

maxN MA N

σ = +⎛ ⎞

,1el

cr E

A NWN

⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠

\\ Dove:M è il momento del primo ordine1‐N/Ncr,E è un coefficiente per passare al momento di IIordine


Aste sempliciAstaAsta realereale:: effettoeffetto delledelle imperfezioniimperfezioni geometrichegeometriche

Per costruire le curve di stabilità:Per costruire le curve di stabilità:

1N M N e A⎛ ⎞⎜ ⎟⋅⎜ ⎟

max max

,,

1: 111

y

elcr Ecr E

N M N e Afissiamo y NA A INW NN

σ σ ⎜ ⎟= = + = +⎜ ⎟⎛ ⎞ −− ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠

2

1 Ey m

E mm σσ σσ σ

⎛ ⎞= +⎜ ⎟−⎝ ⎠ σcr

2 0:

/

m mC Ddove

N A

σ σ

σ

− + =

= f2

max2 2

/

/ ( / )

/

m

E

N A

m e y

E

σ

ρ

σ π λ

=

=

fy

(1 )y E

E y

C m

D

σ σ

σ σ

= − +

= λy λ


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METALLICHEAste semplici

rrmm

APPROCCIOAPPROCCIO DELLEDELLE NORMATIVENORMATIVEaattttiivvaa

ykA fN

λλ λλ

⋅= → =

aa

,

:cr E yN

dove

λ

yy

Ef

λ π=


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APPROCCIOAPPROCCIO DELLEDELLE NORMATIVENORMATIVErrmmaattttiivvaaaa


oorr


APPROCCIOAPPROCCIO DELLEDELLE NORMATIVENORMATIVErrmmaattttiivvaaaa

PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHEAste TESEMETALLICHE

Aste semplici

Verifiche di RESISTENZAVerifiche di RESISTENZA•Aste non forate→ area lorda della sezione•Aste non forate→ area lorda della sezione

•Aste forate→ area netta della sezione

Bisogna individuare la sezioneBisogna individuare la sezionecritica in funzione del percorsodelle tensionidelle tensioni


oorr


Aste TESE

rrmm

Aste TESEVerifiche di RESISTENZAVerifiche di RESISTENZA

aatt Verifiche di RESISTENZAVerifiche di RESISTENZAttii

Assumendo quale resistenza a trazione Il minore dei seguenti valorivvaa

Assumendo quale resistenza a trazione Il minore dei seguenti valori

aa

Quando si progetta in accordo al criterio di gerarchia delle resistenze deve

risultare:

PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE

f hf h dd


Aste INFLESSE ‐ Verifiche Verifiche di RESISTENZAdi RESISTENZAANALISI ELASTICA DELLA SEZIONEANALISI ELASTICA DELLA SEZIONE

yx MMσ +x

x yW W

M W

σ

σ

= +

e y elM Wσ=

ANALISI ELASTO‐PLASTICA DELLA SEZIONE

lM Wσ=u y plM Wσ=

di d d ll f d ll iuM dipende dalla forma della sezioneu

eM→


oorr


Aste INFLESSE

rrmm Aste INFLESSE

Verifiche di RESISTENZAVerifiche di RESISTENZAaatt ffttii Flessione monoassiale rettavvaaaa


oorr


rrmm

Capacità di rotazione della sezionecompatte

aatt Classe 1: Cθ≥3

compatte

ttii Classe 2: Cθ≥1.5

vvaa

Classe 3: solo le fibre estreme raggiungono lo snerv.aa

Classe 4: instabilità locali in campo elastico

llsnelle

Moderatamente snelle


oorr


rrmmaattttiivvaaaa


oorr


TAGLIOTAGLIOrrmmaatt • Resistenza di calcolo a tagliottii

• Resistenza di calcolo a taglioin assenza di torsione

vvaaaa


oorr

METALLICHESLE

Verifiche agli stati limite di eserciziorrmm

spostamentispostamentiaattttiivvaaaa


V ifi h li i li i di i ioorr

METALLICHESLE

Verifiche agli stati limite di eserciziospostamentispostamenti

rrmm spostamentispostamentiaattttiivvaaaa


Verifiche agli stati limite di eserciziooorr

METALLICHESLE

Verifiche agli stati limite di eserciziospostamentispostamenti

rrmm spostamentispostamentiaattttiivvaaaa


oorr

METALLICHEGerarchia delle resistenze

Meccanismo resistente della struttura → ti l i t tt l

rrmm

tipologia strutturaleaattttiivvaaaa


oorr


Duttilità a livello di sezioneDuttilità a livello di sezionerrmmaattttiivvaaaa


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Quando entrano in gioco sollecitazioni assialiQuando entrano in gioco sollecitazioni assialirrmmaattttiivvaaaa


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Preserviamo i collegamentiPreserviamo i collegamentirrmmaattttiivvaaaa


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Duttilità a livello di strutturaDuttilità a livello di strutturarrmmaattttiivvaaaa

l f ti t i d b licolonne forti – travi deboli


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qualità della duttilità


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rrmmaatt e per la tipologia a controventi?ttiivvaaaa


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La gerarchia delle resistenze è basata su un differente meccanismo ultimo

rrmm su un differente meccanismo ultimoaattttiivvaaaa

diagonali deboli – colonne,travi, collegamenti fortig g


oorr


La gerarchia delle resistenze è basata su un differente meccanismo ultimo

rrmm su un differente meccanismo ultimoaattttiivvaaaa

sollecitazioni di progetto amplificate tenendosollecitazioni di progetto amplificate tenendoconto del tasso di lavoro delle diagonali


oorr


evitando concentrazioni di richieste di deformazione plastica (danno)

rrmm deformazione plastica (danno) aattttiivvaaaa

garantendo buoni livelli di dissipazione


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Degrado di resistenza e di dissipazione maggiore per elementi snelli

rrmm maggiore per elementi snelli aattttiivvaaaa

Documents

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