Verifica di sicurezza di un capannone f d d industriale in acciaio D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 1 Elementi strutturali Elementi strutturali ‐ Travi principali reticolari (capriate); ‐ travi secondarie (arcarecci); travi secondarie (arcarecci); ‐ pilastri; ‐ controventi di falda; ‐ controventi longitudinali (verticali); ‐ pannelli di copertura. capriata controvento arcareccio controvento pilastro D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 2 Carichi applicati ad un capannone in acciaio Carichi applicati ad un capannone in acciaio Carichi verticali: ‐ peso proprio degli elementi strutturali; ‐ carichi permanenti portati (impianti, finiture, copertura); ‐ neve. Questi carichi vengono riportati in fondazione attraverso le travi secondarie, secondarie le travi principali e i pilastri. pilastri Carichi orizzontali: ‐ vento; ‐ sisma; ‐ carichi i hi generati ti dalle d ll attrezzature tt t presenti ti nell capannone. Questi carichi vengono riportati in fondazione dai controventi verticali. D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 3 Effetti delle azioni verticali Effetti delle azioni verticali Problema: trasferire i carichi verticali dalla copertura alle fondazioni. D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 4 Passo 1: la forza concentrata, applicata ai pannelli della copertura, si scarica sulle travi secondarie (arcarecci). Trave secondaria D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 5 Passo 2: le reazioni delle travi secondarie si scaricano sulle travi principali (capriate). Trave secondaria Trave principale D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 6 Passo 3: le reazioni delle travi principali si scaricano sui pilastri e, di conseguenza, in fondazione. Trave secondaria Trave principale pilastro D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 7 Esempio Si considera un capannone situato nella zona di Torino. D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 8 Sezione trasversale 5 570 Altezza in gronda: 5.1 m Altezza in colmo: 5.7 57m Pendenza della copertura: 10% (≈ 5.7°) D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 9 La copertura p Funzione: protezione della struttura e di ciò che contiene nei riguardi degli agenti atmosferici riguardi degli agenti atmosferici. D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 10 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 11 Esempio: pannello di copertura in poliuretano. D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 12 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 13 Come si collega il pannello di copertura alla trave secondaria (arcareccio)? D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 14 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 15 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 16 Giuntura dei pannelli di copertura nella zona di colmo D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 17 Scelta progettuale per la copertura: pannello di spessore 40mm. 40mm Schema statico: trave semplicemente appoggiata su due travi secondarie (appoggi) ( pp gg ) α = 5.7° 5 7° D.L. Allaix α = 5.7 = 5 7° Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 18 Carichi applicati: ‐ peso proprio: gk=0.088 =0 088 kN/m2 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 19 gk=0.088 kN/m2 α = 5.7° D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 20 Carichi applicati: ‐ neve: per stabilire ll’intensità intensità di questo carico variabile, variabile si fa riferimento alla norma NTC 2008 (paragrafo 3.4 “Azione della neve”). ) Il carico della neve sulla copertura è definito nel seguente modo: D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 21 ‐ Coefficiente di forma μi della copertura: dipende dalla sua pendenza (α = 5.7 5 7° nel nostro caso). caso) ‐ Coefficiente di esposizione CE: dipende dalla topografia del luogo di costruzione. ‐ Coefficiente termico CT: dipende dalla tipologia della costruzione. Si assume CT=1. D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 22 ‐ Carico neve al suolo qsk: dipende dalle condizioni climatiche locali. locali Consideriamo qsk=1.5 =1 5 kN/m2. Il carico neve sulla copertura qs risulta essere pari a: qs = μi ⋅ qsk ⋅ CE ⋅ CT = 0.8 ⋅ 1.5 = 1.2 kN/m2 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 23 La condizione di carico da considerare è fissata nella normativa. D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 24 Per il capannone in esame, la condizione di carico è la seguente: 570 qs=1.2 kN/m2 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 25 Ricapitolando, sulla copertura agiscono: ‐ peso proprio: gk=0.088 kN/m2 ‐ neve: qk=1.2 kN/m2 Si considera una striscia di lamiera larga 1 m: D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 26 La striscia di lamiera larga 1 m può essere ora considerata una trave semplicemente appoggiata, soggetta ai carichi gk e qk, di cui si possono calcolare le reazioni vincolari. qk=1.2 kN/m gk=0.088 kN/m V2 V1 α = 5.7° D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 27 Travi secondarie (arcarecci) ( ) Funzione: trasferire i carichi dal manto di copertura alle travi principali (capriate) principali (capriate). Trave secondaria Trave secondaria D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 28 Scelta progettuale per le travi secondarie: profilo IPE 140. Schema statico: trave semplicemente appoggiata (luce Ls=4m) su due travi principali (capriate). Trave principale Trave secondaria Trave secondaria D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 29 Carichi applicati alle travi secondarie: sono le reazioni vincolari (cambiate di segno) della striscia larga 1 m della copertura. Copertura (fascia larga 1 m) Trave principale Trave principale D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 30 Ogni metro di copertura scarica sulle travi secondarie due reazioni verticali. verticali Quindi, Quindi la trave secondaria centrale della figura seguente sono soggette ad un carico verticale ((uniformemente distribuito)) somma delle reazioni V1 e V4. qk=1.2 1.2 kN/m kN/m qk=1.2 kN/m gk=0.088 kN/m V2 gk=0.088 kN/m 0 088 k / V4 V1 V3 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 31 Schema statico e carichi applicati alla trave secondaria ‐ peso proprio copertura: gk1=0.18 kN/m ‐ peso proprio trave secondaria (IPE 140): gk2=0.13 kN/m ‐ neve: qk=2.4 2 4 kN/m qk=2.4 kN/m gk2=0.13 0 13 kN/m kN/ gk1=0.18 kN/m Ls=4 m D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 32 Caratteristiche geometriche del profilato IPE D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 33 La trave secondaria è sollecitata a flessione deviata, che viene studiata scomponendola in due flessioni rette secondo le direzioni dei due assi principali d’inerzia della sezione trasversale. Fn=F cos(α) Ft=F sin(α) D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 34 Analisi di sicurezza della trave secondaria q (carico neve) g2 (peso proprio IPE 140) g1 (peso proprio copertura) Ls=4 m Dati: • g1: N(0.18, 0.02) kN/m : N(0 18 0 02) kN/m • g2: N(0.13, 0.01) kN/m • q: N(2.4, 0.53) kN/m q ( , ) / • fy: N(280, 22.4) N/mm2 La rottura della struttura si verifica quando sollecitazione in mezzeria (flessione deviata) supera la resistenza. D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 35 Momento sollecitante MSx: si considera la componente normale dei carichi. g1n=g1 cos(α): N(0.18, 0.02) kN/m g2n=g2 cos(α): N(0.13, 0.01) kN/m qn=q cos(α): N(2.39, 0.53) kN/m / Il momento MSx è uguale a: M Sx S ( g1n + g 2 n + qn )L2s = 8 Il momento resistente MRx è uguale g a: M Rx = W pl, x f y dove Wpl,x=88340 mm3 Utilizzando ili d il modello d ll probabilistico b bili i sii ottiene: i MSx: N(5.4, 1.1) kNm MRx: N(24.7, N(24 7 2.0) 2 0) kNm D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 36 Momento sollecitante MSy: si considera la componente tangenziale dei carichi. g1t=g1 sin(α): N(0.02, 0.002) kN/m g2t=g2 sin(α): N(0.01, 0.001) kN/m qt=q sin(α): N(0.24, 0.05) kN/m / Il momento MSy è uguale a: M Sy S ( g1t + g 2t + qt )L2s = 8 Il momento resistente MRy è uguale g a: M Ry = W pl , y f y dove Wpl,y=19250 mm3 Utilizzando ili d il modello d ll probabilistico b bili i sii ottiene: i MSy: N(0.5, 0.1) kNm MRy: N(5.4, N(5 4 0.4) 0 4) kNm D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 37 Verifica con il metodo di livello 3 Verifica con il metodo di livello 3 La probabilità di rottura è definita nel seguente modo: Pr = P[g ( X1, X 2 ,,...,, X n ) ≤ 0] = ∫f X ( x1, x2 ,,...,, xn )dx1dx2 ...dxn Di dominio nel quale g(x) ≤ 0 dove: ‐ X1 è il carico permanente g1; ‐ X2 è il carico variabile g2; ‐ X3 è il carico variabile q; ‐ X4 è la tensione di snervamento fy D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 38 Funzione di stato limite Assumendo un comportamento elastico‐perfettamente plastico l i per l’acciaio, l’ i i la l funzione f i di stato limite li i è la l seguente: M Sx M Sy g ( g1, g 2 , q, f y ) = + −1 = M Rx M Ry (g1n + g 2n + qn )L2s = 8 W pl , x f y (g1t + g 2t + qt )L2s 8 + W pl , y f y (g1 + g 2 + q )cos(α )L2s = 8 W pl , x f y D.L. Allaix −1 = (g1 + g 2 + q )sin i (α )L2s + 8 W pl , y f y −1 Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 39 Conviene, per effettuare i calcoli, riscrivere la funzione di stato limite nel seguente modo: ⎡ (g1 + g 2 + q )cos(α )L2s (g1 + g 2 + q )sin (α )L2s ⎤ g ( g1, g 2 , q, f y ) = ⎢ + ⎥ − W pl , xW pl , y f y = 8 8 ⎥⎦ ⎣⎢ = Y1 − Y2 Y1 Y2 La funzione di stato limite contiene ora la differenza tra due variabili aleatorie Y1 e Y2 a distribuzione normale (più semplice da trattare). ) D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 40 Y1: N(0.5, 0.1) kNm4 Y2: N(0.0, 0.0) kNm4 Dato che Y1 ed Y2 sono a distribuzione normale, si definisce Z = Y1‐Y2 : Z → N Z (μ Z ;σ Z ) dove: μ Z = μY1 − μY2 = 0.5 kNm4 σ Z = σ Y21 + σ Y22 = 0.1 kNm4 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 41 La p probabilità Pi viene calcolata nel seguente g modo: ⎛M ⎞ M Sy Sx + ≤ 1⎟ = P(Z ≤ 0 ) = Pr = P⎜ ⎜ M Rx M Ry ⎟ ⎝ ⎠ ⎛ Z − μZ − μZ = P⎜⎜ ≤ σZ ⎝ σZ ⎞ ⎛ μZ ⎟ = Φ⎜ − ⎟ ⎜ σ Z ⎠ ⎝ ⎞ ⎟ = Φ (− 5.1) = 1.54 ⋅ 10− 7 ⎟ ⎠ Verifica dell’affidabilità strutturale: Pr = 1.54 ⋅ 10−7 < Pr , target = 7.2 ⋅ 10−5 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 42 Verifica con i metodi di livello 2 Verifica con i metodi di livello 2 Metodo MVFOSM L’indice di affidabilità β è definito come il rapporto tra valore medio e deviazione standard della funzione di stato limite. μZ β= σZ Z = g( X1, X 2 ,..., X n ) Nel caso in esame, la funzione di stato limite è stata scritta come segue: ⎡ (g1 + g 2 + q )cos(α )L2s (g1 + g 2 + q )sin (α )L2s ⎤ + g ( g1, g 2 , q, f y ) = ⎢ ⎥ − W pl , xW pl , y f y 8 8 ⎢⎣ ⎥⎦ D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 43 Mediante uno sviluppo in serie di Taylor troncato ai termini del primo ordine è possibile ottenere delle approssimazioni di μZ e σZ: μ Z ≅ g( μ g1 , μ g 2 , μq , μ f y ) = 0.5 kNm4 ⎛ ∂g ⎜ ⎜⎜ ∂X i i =1 ⎝ n σZ ≅ ∑ ⎛ ∂g = ⎜⎜ ⎜ ∂g1 ⎝ 2 ⎞ ⎟ Var ( X ) = i ⎟⎟ μ⎠ 2 ⎞ ⎛ ∂g ⎟ σ2 +⎜ ⎟⎟ g1 ⎜⎜ ∂g μ⎠ ⎝ 1 2 ⎞ ⎛ ⎟ σ 2 + ⎜ ∂g ⎟⎟ g 2 ⎜ ∂q μ⎠ ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ μ⎠ 2 ⎛ ∂g σ q2 + ⎜⎜ ⎜ ∂Es ⎝ Il valore dell’indice di affidabilità β è p pari a: β = D.L. Allaix 2 ⎞ ⎟ σ 2 = 0.1 kNm4 ⎟⎟ f y μ⎠ μZ = 5.1 σZ Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 44 La verifica di sicurezza è soddisfatta: β = 5.1 > β target = 3.8 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 45 Verifica con il metodo semi‐probabilistico Verifica con il metodo semi‐probabilistico La sicurezza strutturale viene verificata utilizzando le indicazioni delle normative. Bisogna verifica che: M Sdx M Sdy + ≤1 M Rdx M Rdy I momenti sollecitanti MSdx e MSdy in mezzeria sono valutati sulla base della combinazione delle azioni per situazioni persistenti e transitorie D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 46 Momenti sollecitanti MSdx e MSdy: Combinazione delle azioni per situazioni persistenti e transitorie : Ed = E {γ G , j GK , j ; γ P P; γ Q ,1Qk ,1; ; γ Q ,iψ 0,i QK ,i } j ≥ 1; i > 1 I valori caratteristici dei carichi sono: ‐ g1kk=0.18 =0 18 kN/m ‐ g2k=0.13 kN/m ‐ qk=2.4 kN/m I fattori parziali lato azioni sono: − γG=1.35 1 35 − γQ=1.5 D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 47 Quindi: Q M Sdx M Sdy ( g k1 + g k 2 + qk )cos(α )L2s = = 8 kNm 8 ( g k1 + g k 2 + qk )sin (α )L2s = = 0.8 kNm 8 Momenti resistenti MRdx e MRdy : Vengono calcolati nel seguente modo: M Rdx = W pl , x f yk γ m0 = 19.8 kNm M Rdy = W pl , y f yk γ m0 = 4.3 kNm Il fattori parziale γM0 lato resistenza è uguale a 1.05. M Sdy M Sdx Verifica: + = 0.59 < 1 M Rdx M Rdy D.L. Allaix Politecnico di Torino - Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica Corso di “Tecnica delle Costruzioni” 48
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