Università degli Studi diCassino Progetto g di Strutture C Costruzioni i i in i Acciaio A i i a cura di: i Ernesto di ing. Grande [email protected] http // http://www.docente.unicas.it/ernesto_grande d t i it/ t d Testi consigliati Testi 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 METALLICHE Aspetti generali Il “materiale”: elevato rapporto resistenza / peso Strutture più leggere Problemi di stabilità 400 WW-BCC8 300 M [kNm] TSW-BCC10 200 100 d/H 0 -10% -5% -100 0% 5% 10% -200 200 -300 -400 .PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aspetti generali VANTAGGI • riciclabilità del materiale rapidità di esecuzione delle strutture •rapidità • la capacità dissipativa e la duttilità e molti altri... PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aspetti generali SVANTAGGI • trattamenti delle superfici • resistenza i t all ffuoco • la scarsa “cultura” in Italia Temperatture 1.0 Light Room Temperaturee Weight 0.8 Concrete 06 0.6 ength at Higher T Steel Normal 0.2 0 o Stre 0 400 800 1200 1600 2000 F oC oC .4 Weight Concrete Strength at R 0. Houston: First City National B kB Bank Building ildi 6 piani Daley Center Building (31 piani) .EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO. Louis – Missouri) British Columbia Bldg. CBF a K suii lati l i – angolo l a 45° (St.EDIFICI CON STRUTTURA IN ACCIAIO. Bldg for EXPO’86 (Vancouver) . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aspetti generali Classificazione dei sistemi strutturali: Principalmente si hanno le seguenti tipologie strutturali: •Strutture a telaio (a nodi rigidi o mista) •Strutture a controventi ((a nodi ppendolari)) . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aspetti generali •Strutture a controventi (a nodi pendolari) . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aspetti generali •Strutture a controventi (a nodi pendolari) . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aspetti generali Differente meccanismo resistente nei confronti delle azioni orizzontali . 22% ¾ ¾prove di qualificazione lifi i eseguite it su: Pro ette di forma e dimensioni unificate Provette nificate Elementi strutturali o parti di elementi . ¾Acciai da carpenteria → contenuto di carbonio 0.PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti ¾Gli acciai al carbonio sono leghe ferro-carbonio con percentuale di carbonio inferiore al 2%.17% - 0. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti Principali proprietà: T i Tensione di rottura tt a trazione t i Tensione di snervamento Tensione Resilienza Allungamento percentuale a rottura . l ti ità l’allungamento l’ ll t a rottura tt e la l contrazione trasversale. incrudimento e strizione Fase 4. . snervamento Fase 3. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti ¾PROVA DI TRAZIONE Si esegue su provini di dimensioni normalizzate ricavati da profilati o lamiere. Fase 1. andamento lineare Fase 2. tt il modulo d l di elasticità. tratto discendente Da questa prova si ricava: la tensione di snervamento e di rottura. E’ fornita dal rapporto tra la forza applicata è l’area dell’impronta p lasciata dall’oggetto gg battente.PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti ¾PROVA DI DUREZZA E’’ una misura della d ll resistenza opposta alla ll penetrazione di un altro corpo. . cricche . Consiste nell’inflettere il pprovino in modo tale da realizzare una cerniera plastica e farla ruotare fino a che la parte di destra e quella di sinistra raggiungano un angolo prefissato.PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti ¾PROVA DI PIEGAMENTO E’ una prova di flessione in campo plastico. Non si devono avere né screpolature né cricche. urti). Prova con il pendolo di Charpy . Gli acciai devono possedere una buona tenacità che viene misurata tramite la “resilienza”.PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti ¾PROVA D’URTO E’ necessaria per scongiurare fenomeni fragili sotto determinate condizioni (stati pluriassiali. basse temperature. ovvero il rapporto tra ll’energia energia di rottura e ll’area area del provino. .PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti ¾PROVA DI FATICA Si può avere rottura del campione sotto un certo numero di cicli di carico e scarico tali da non causare livelli di tensione p preoccupanti p in campo p statico. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Materiali e Prodotti r m a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Materiali e Prodotti r m a t i v a sono anche funzione della sezione!! . a. mentre i secondi possono essere utilizzati nelle costruzioni correnti evitando quelle zone in cui i carichi possono dar luogo a deformazioni locali.PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti I pprodotti industriali in acciaio si dividono in due categorie: a Laminati a caldo (profilati. Lamiere grecate e profilati formati a freddo I primi sono di uso generale. piatti lamiere e profilati cavi). . barre piatti. b. (profilati barre. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti Acciai laminati a caldo prodotti in: 1) Profilati 2) Barre 3) Larghi piatti 4) Lamiere 5) Profili cavi Tra i profilati più utilizzati negli edifici: 1) Profilati a doppio T ad ali larghe, serie leggera (HEA) 2)) Profilati f l a doppio d T add alil larghe, l h serie normale l (HEB) ( ) 3) Profilati a doppio T ad ali larghe, serie pesante (HEM) 4) Profilati P fil ti a doppio d i T ad d alili strette t tt e rastremate t t (IPN) 5) Profilati a doppio T ad ali medie e parallele (IPE) PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti sagomario PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti sagomario PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Materiali e Prodotti sagomario . Modelli e Verifiche .PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici Sollecitazioni. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici Aste compresse V ifi h di STABILITA’ Verifiche di STABILITA’ Aste snelle soggette a forze normali di compressione Equazioni di equilibrio riferite alla configurazione deformata (teoria del II ordine). E’ necessario inoltre: Considerare Considerare ll’effetto effetto delle imperfezioni Il comportamento ‘non elastico’ dell’acciaio . •Le imperfezioni impediscono il fenomeno di biforcazione dell dell’equilibrio equilibrio che si ha invece nel caso di asta ideale.PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici Aste compresse V ifi h di STABILITA’ Verifiche di STABILITA’ La crisi dell’elemento non avviene per formazione di un meccanismo legato alle cerniere plastiche ma per instabilità dell’equilibrio. Nota: •IlIl legame carichi spostamenti non è lineare. . •Imperfezioni Imperfezioni geometriche: linea d d’asse asse pre pre‐ deformata (L/2000 – L/500) •Imperfezioni del materiale: tensioni residue e dispersioni dei valori della tensione di snervamento. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici Aste compresse V ifi h di STABILITA’ Verifiche di STABILITA’ IMPERFEZIONI‐ ASTE INDUSTRIALI IMPERFEZIONI‐ Le imperfezioni che caratterizzano le aste reali danno luogo a valori dei carichi critici minori di quelli relativi al caso di asta ideale (Eulero). . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici P Asta ideale: ideale: P •Configurazione rettilinea •Sezione costante •Carico centrato •Materiale Materiale elastico carico critico → Pcr = π EI / lc 2 2 dove lc è la lunghezza g libera di inflessione: •Asta con due cerniere lc=l •Asta con due incastri lc=0.5l =0 5l •Asta con un incastro lc=2l . E 2 Pcr . E = = 2 A λ σcr Non è più valida la fy formula di Eulero λy λ . E = π EI / 2 2 lc σ cr .PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici P Asta ideale: ideale: P π E Pcr . . Si continua però a considerare l’asta rettilinea. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici Aste compresse Aste compresse Verifiche di STABILITA’ f Asta reale: reale: effetto della non elasticità Per λ<λy sono presenti differenti teorie Teoria T i di Engesser‐Karman E K si considera un modulo ridotto che dipende dalla forma della sezione oltreché dal modulo tangente e dal modulo elastico. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici Aste compresse Verifiche di STABILITA’ Asta reale: reale: effetto della non elasticità Per λ<λy sono presenti differenti teorie Teoria di Shanley‐Karman si considera l’asta rettilinea ma con forza di p compressione esterna che aumenta senza aver raggiunto il carico critico. In qquesto caso come modulo ridotto viene considerato solo quello tangente. . . mentre la teoria di Engesser‐Karman fornisce il limite superiore difficilmente d c e te pe però ò raggiungibile agg u g b e da u un’asta asta reale ea e a causa delle imperfezioni geometriche. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici Aste compresse Verifiche di STABILITA’ Verifiche di STABILITA Asta reale reale:: effetto della non elasticità Le prove sperimentali condotte da Stussi (1953) provarono che la teoria di Shanley‐Karman fornisce il limite inferiore della tensione critica. . E ⎠ \\ Dove: M è il momento del primo ordine 1‐N/Ncr.PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici Asta reale: reale: effetto delle imperfezioni geometriche In questo caso si è in presenza di una sollecitazione composta (sforzo normale e flessione) LL’equazioni equazioni di equilibrio non è più omogenea N M σ max = + A ⎛ N ⎞ Wel ⎜1 − ⎟⎟ ⎜ N ⎝ cr .E è un coefficiente per passare al momento di II ordine . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici Asta reale: reale: effetto delle imperfezioni geometriche Per costruire le curve di stabilità: ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ N M N ⎜ e⋅ A 1 ⎟ fissiamo : σ max =σy = + = 1+ ymax A ⎛ N ⎞ A⎜ I 1 − N ⎟ Wel ⎜1 − ⎟⎟ ⎜ ⎟ ⎜ N ⎝ N cr . E ⎠ ⎛ σE ⎞ σ y = σ m ⎜1 + m ⎝ ⎟ σE −σm ⎠ σcr σ m2 − Cσ m + D = 0 dove : σm = N / A fy m = e / ( ρ / ymax ) 2 σ E = π 2E / λ2 C = σ y − σ E (1 + m) D = σ Eσ y λy λ . E ⎠ ⎝ cr . E λy dove : E λy = π fy . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Aste semplici r m a APPROCCIO DELLE NORMATIVE t i v a A ⋅ f yk λ λ= →λ = N cr . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Aste semplici r m APPROCCIO DELLE NORMATIVE a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Aste semplici r APPROCCIO DELLE NORMATIVE m a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste TESE Aste semplici Verifiche di RESISTENZA •Aste non forate→ area lorda della sezione •Aste forate → area netta della sezione Bisogna individuare la sezione critica in funzione del percorso delle tensioni . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Aste semplici r m a Aste TESE Aste TESE t Verifiche di RESISTENZA Verifiche di RESISTENZA i Assumendo quale resistenza a trazione Il minore dei seguenti valori v a Quando si progetta in accordo al criterio di gerarchia delle resistenze deve risultare: . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE METALLICHE Aste semplici Aste INFLESSE ‐ Verifiche Verifiche di RESISTENZA f h di RESISTENZA d ANALISI ELASTICA DELLA SEZIONE Mx My σ= + Wx Wy M e = σ yWel ANALISI ELASTO‐PLASTICA DELLA SEZIONE M u = σ yW pll Mu → dipende di d dalla d ll forma f della d ll sezione i Me . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Aste semplici r m a Aste INFLESSE Aste INFLESSE t Verifiche di RESISTENZA f i Flessione monoassiale retta v a . 5 v Classe 3: solo le fibre estreme raggiungono lo snerv. a Classe 4: instabilità locali in campo elastico snelle ll Moderatamente snelle . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Aste semplici r Capacità di rotazione della sezione m compatte a Classe 1: Cθ≥3 t i Classe 2: Cθ≥1. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Aste semplici r m a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Aste semplici r TAGLIO m a t • Resistenza di calcolo a taglio i in assenza di torsione v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o SLE r m Verifiche agli stati limite di esercizio a spostamenti t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o SLE r V ifi h Verifiche agli stati limite di esercizio li i li i di ii m spostamenti a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o SLE r Verifiche agli stati limite di esercizio Verifiche agli stati limite di esercizio m spostamenti a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r m Meccanismo resistente della struttura → a ti l i t tt l tipologia strutturale t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r m Duttilità a livello di sezione a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r m Quando entrano in gioco sollecitazioni assiali a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r m Preserviamo i collegamenti a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r m Duttilità a livello di struttura a t i v a colonne l f ti – travi forti t i deboli d b li . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r m Duttilità a livello di struttura a t i v a qualità della duttilità . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r m Duttilità a livello di struttura a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r m Duttilità a livello di struttura a t i v a . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r m a t e per la tipologia a controventi? i v a . travi. collegamenti g forti . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r La gerarchia delle resistenze è basata m su un differente meccanismo ultimo a t i v a diagonali g deboli – colonne. PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r La gerarchia delle resistenze è basata m su un differente meccanismo ultimo a t i v a sollecitazioni di progetto amplificate tenendo conto del tasso di lavoro delle diagonali . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r evitando concentrazioni di richieste di m deformazione plastica (danno) a t i v a garantendo buoni livelli di dissipazione . PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE N METALLICHE o Gerarchia delle resistenze r Degrado di resistenza e di dissipazione m maggiore per elementi snelli a t i v a .