1. Progetto di una trave in C.A. agli Stati Limite
Il seguente esempio illustra la modalità progettuali di una trave continua in calcestruzzo armato realizzata con calcestruzzo Classe 25/30 e armature in acciaio Feb44k/s. La trave è composta da tre campate, ognuna con luce pari a 600 [cm], mentre la sezione trasversale è stata assunta pari a 200[mm] x 600[mm]. Il copriferro superiore ed inferiore è stato assunto pari a 30 [mm].
1.1. Carichi e combinazioni di carico a stato limite ultimo
• Peso proprio della trave: Calcolato direttamente dal software di calcolo
• Sovraccarico permanente: 3.00 [kN/m2]
• Sovraccarico accidentale: 4.00 [kN/m2]
La lunghezza trasversale d’influenza è stata assunta pari a i=5.00 [m].
Al fine di massimizzare i momenti positivi in campata e i momenti negativi sugli appoggi e necessario disporre a scacchiera i sovraccarichi accidentali:
Sovraccarico permanente: DL
Sovraccarico accidentale: LL1
Sovraccarico accidentale: LL2
Sovraccarico accidentale: LL3
Sovraccarico accidentale: LL4
Combinazioni di carico a Stato Limite Ultimo:
SLU1: 1.4 (PP + DL) + 1.5 LL1
SLU2: 1.4 (PP + DL) + 1.5 LL2
SLU3: 1.4 (PP + DL) + 1.5 LL3
SLU4: 1.4 (PP + DL) + 1.5 LL4
SLU5: 1.4 (PP + DL) + 1.5 LL1 + 1.5 LL2
INVILUPPO: Questa funzione mostra l’inviluppo delle caratteristiche di sollecitazione delle varie combinazioni SLU.
1.2. Caratteristiche di sollecitazione e progetto delle armature longitudinali
Di seguito si riportano i diagrammi di sollecitazione relativi alla combinazione di inviluppo delle combinazioni di carico a Stato Limite ultimo:
• Forza di taglio
• Momento flettente
Per determinare il quantitativo di armature longitudinali necessarie a sopportare il momento flettente di calcolo è necessario determinare il grafico di inviluppo delle forze di trazione nelle barre tenendo conto della traslazione dovuta al meccanismo resistente a taglio (5.4.2.1.3 EC2). Poiché in questo esempio calcoleremo l’armatura a taglio con il metodo normale e non con il metodo del traliccio inclinato, la traslazione si quantifica nel seguente modo:
( ) ( ) ( ( ) )
25.652 90 cot 1 57 9 . 0 2
cot 1 d 9 . 0 2
cot 1
al= z⋅ − α = ⋅ ⋅ − α = ⋅ ⋅ − ° = [cm]
Dove:
d altezza utile della sezione ovvero
(
h−c)
=60−3=57 [cm]α angolo formato tra le staffe (in questo esempio assunte verticali) e l’orditura longitudinale.
La forza di trazione sollecitante le armature si determina in ogni punto della sezione trasversale nel seguente modo:
d 9 . 0
M z
Nt,Sd MSd Sd
= ⋅
=
yd Sd , calcolo t ,
s f
A =N
La forza normale resistente sarà determinata in funzione della resistenza ultima di calcolo dell’acciaio:
yd disposta , s Rd ,
t A f
N = ⋅
Dove:
calcolo ,
As quantitativo di armatura minimo ottenuto dal calcolo disposta
,
As quantitativo di armatura disposto effettivamente nella trave fyd resistenza di calcolo delle armature
9 . 15 373 . 1 f 430 f
s s yk / k 44
ydFeb = =
= γ [MPa]
Digramma traslato delle forze di trazione nelle armature
600 600 600
272 328 328 272
352.4 [kN]420.2 [kN]
300 300
25.7
25.7 25.7 25.7
25.7 25.6 25.7 25.7
1° Campata: massima trazione nelle armature inferiori
4 . 57 352 9 . 0
10 75 . 180 d 9 . 0
Nt,Sd MSd 2 =
⋅
= ⋅
= ⋅ [kN] 9.42
39 . 37
4 . 352 f
A N
yd Sd , calcolo t ,
s = = = [cm2]
2° Appoggio: massima trazione nelle armature superiori
2 . 57 420 9 . 0
10 59 . 215 d 9 . 0
Nt,Sd MSd 2 =
⋅
= ⋅
= ⋅ [kN] 11.24
39 . 37
2 . 420 f
A N
yd Sd , calcolo t ,
s = = = [cm2]
2° Campata: massima trazione nelle armature inferiori
91 . 57 198 9 . 0
10 04 . 102 d 9 . 0
Nt,Sd MSd 2 =
⋅
= ⋅
= ⋅ [kN] 5.32
39 . 37
91 . 198 f
A N
yd Sd , calcolo t ,
s = = = [cm2]
1° Campata massima: armature disposte e forza normale resistente 05
. 10 16 5
As,disposta = φ = [cm2] NRd=As,disposta⋅fyd=375.8 [kN]
2° Appoggio: armature disposte e forza normale resistente 06
. 12 16 6
As,disposta = φ = [cm2] NRd=As,disposta⋅fyd=451 [kN]
2° Campata: armature disposte e forza normale resistente 03
. 6 16 3
As,disposta = φ = [cm2] NRd=As,disposta⋅fyd=225.5 [kN]
Manteniamo un’orditura doppia e simmetrica pari a 2φ16 lungo tutta la trave infittendo, ove necessario.
Digramma del ricoprimento offerto dalle armature
600 600 600
272 328 328 272
352.4 [kN]420.2 [kN]
300 300
6Ø16 = 450 [kN]
150 [kN]2Ø16 = 4Ø16 = 300.6 [kN] 5Ø16 = 357.8 [kN]
1 2 3 4 5 4 3 2 1
Ora è necessario verificare che le cinque sezioni della trave oltre a ricoprire i diagramma delle trazioni sollecitanti rispettino anche le condizioni di duttilità, ovvero che la rottura si abbia dal lato dell’acciaio. Nel caso di calcestruzzo di Classe 25/30 questa condizione è rispettata se l’asse neutro adimensionale ξ=x d è inferiore a 0.45.
Sezione 1: 2Ø16 inferiori + 2Ø16 superiori: ξ=x d=0.1171
Sezione 2: 4Ø16 inferiori + 2Ø16 superiori: ξ=x d=0.1748
Sezione 3: 5Ø16 inferiori + 2Ø16 superiori: ξ=x d=0.2020
Sezione 4: 2Ø16 inferiori + 6Ø16 superiori: ξ=x d=0.2485
Sezione 5: 3Ø16 inferiori + 2Ø16 superiori: ξ=x d=0.1469
La sezione trasversale si rompe sempre dal lato dell’acciaio e di conseguenza il comportamento è duttile.
Verifichiamo ora i limiti sull’armatura longitudinale prescritti dalla Normativa:
• Verifica dei minimi normativi d b 0015 . f 0
d b 6 . A 0
yk trazione ,
s ≥ ⋅ ⋅ ≥ ⋅ ⋅
Minima armatura disposta in zona tesa 2Ø16: As =4.02 1.59 0.0015 20 57 1.71 430
57 20 6 .
0 ⋅ ⋅ = < ⋅ ⋅ =
> [cm2]
• Verifica dei massimi normativi
c max
.
S 0.04 A
A ≤ ⋅
Massima armatura disposta in zona tesa 6Ø16: As =12.06<0.04⋅20⋅60=48 [cm2]
• Armatura superiore sugli appoggi terminali in grado dia assorbire il 25% del momento in campata 20
. 45 75 . 180 25 . 0 M
25 . 0
MappoggiSd = ⋅ CampataSd = ⋅ = [kNm]
16 2 35 . 39 2 . 37 57 9 . 0
10 20 . 45 f
d 9 . 0
A M 2
yd appoggi min Sd
,
s = < φ
⋅
⋅
= ⋅
⋅
= ⋅ [cm2]
La condizione è verificata in quanto l’area dei 2Ø16 disposti in sede di appoggio è maggiore a quella strettamente richiesta per assorbire il 25% del momento in campata.
• Armatura inferiore sugli appoggi terminali in grado di assorbire una forza proporzionale al taglio 80
. 57 70 9 . 0
65 . 55 25 . d 141 9 . 0 V a
FS Sd l =
⋅ ⋅
⋅ =
⋅
= [kN]
16 2 90 . 39 1 . 37
80 . 70 f A F
yd min s ,
s = = = < φ [cm2]
La condizione è verificata in quanto l’area dei 2Ø16 disposti in sede di appoggio è maggiore a quella strettamente richiesta per assorbire la forza di trazione dovuta al taglio.
1.3. Verifica delle orditure longitudinali agli Stati Limite di Servizio: Controllo delle Tensioni
• Resistenze nel caso di combinazione di carico rara:
=
⋅
≤ σ
=
⋅
=
⋅
≤ σ
344 f 8 . 0
15 25 6 . 0 f 6 . 0
yk s
ck
c [MPa]
• Combinazione dei carichi per la condizione rara:
⋅ ψ + +
=
i
ik i 0 k 1 k
d G Q Q
F ψ0=0.7 in questo caso non è applicabile perché c’è solo un accidentale
SLS1: 1.0 (PP + DL) + 1.0 LL1
SLS2: 1.0 (PP + DL) + 1.0 LL2
SLS3: 1.0 (PP + DL) + 1.0 LL3
SLS4: 1.0 (PP + DL) + 1.0 LL4
SLS5: 1.0 (PP + DL) + 1.0 LL1 + 1.0 LL2
INVILUPPO: Questa funzione mostra l’inviluppo delle caratteristiche di sollecitazione delle varie combinazioni SLS.
Nota:
Gli stati limite di servizio non si applicano al taglio la cui unica verifica è a stato limite ultimo.
L’inviluppo delle caratteristiche di sollecitazione flessionali è riportato nell’immagine seguente:
Controlliamo gli stati tensionali nel calcestruzzo e nell’acciaio in sede di appoggio intermedio e nelle due campate più esterne:
Appoggio intermedio: 2Ø16 inferiori + 6Ø16 superiori:
<
= σ
<
= σ
344 8 . 243
15 60 . 10
s
c [MPa]
Campata esterna: 5Ø16 inferiori + 2Ø16 superiori:
<
= σ
<
= σ
344 6 . 242
15 357 . 9
s
c [MPa]
• Resistenze nel caso di combinazione quasi permanente:
=
⋅
≤ σ
=
⋅
=
⋅
≤ σ
344 f 8 . 0
25 . 11 25 45 . 0 f 45 . 0
yk s
ck
c [MPa]
• Combinazione dei carichi per la quasi permanente
⋅ ψ +
=
i
ik i 2 k
d G Q
F ψ0=0.3 si assume ad esempio che si tratti di un edificio per uffici
SLS1: 1.0 (PP + DL) + 0.3 LL1
SLS2: 1.0 (PP + DL) + 0.3 LL2
SLS3: 1.0 (PP + DL) + 0.3 LL3
SLS4: 1.0 (PP + DL) + 0.3 LL4
SLS5: 1.0 (PP + DL) + 0.3 LL1 + 0.3 LL2
INVILUPPO: Questa funzione mostra l’inviluppo delle caratteristiche di sollecitazione delle varie combinazioni SLS.
Nota:
Gli stati limite di servizio non si applicano al taglio la cui unica verifica è a stato limite ultimo.
L’inviluppo delle caratteristiche di sollecitazione flessionali è riportato nell’immagine seguente:
Controlliamo gli stati tensionali nel calcestruzzo e nell’acciaio in sede di appoggio intermedio e nelle due campate più esterne:
Appoggio intermedio: 2Ø16 inferiori + 6Ø16 superiori:
<
= σ
<
= σ
344 6 . 147
25 . 11 42 . 6
s
c [MPa]
Campata esterna: 5Ø16 inferiori + 2Ø16 superiori:
<
= σ
<
= σ
344 6 . 142
25 . 11 50 . 5
s
c [MPa]
1.4. Verifica delle orditure longitudinali agli Stati Limite di Servizio: Fessurazione
• Calcolo del momento di incipiente fessurazione (sezione tutta reagente)
Il momento di incipiente fessurazione corrisponde a quel momento che provoca la massima tensione di trazione sopportabile dal calcestruzzo σ′c =1.2⋅fctm:
(
ctm)
G i.
G
I 1.2 f
y h
M I ⋅
= −
Calcolo dell’area ideale:
(
s s)
i h b n A A
A = ⋅ + ⋅ + ′
Momento statico rispetto al lembo superiore:
(
A d A d)
2 n b h h
Si = ⋅ ⋅ + ⋅ s⋅ + ′s⋅ ′
Posizione del baricentro dal lembo superiore:
i G Ai
y = S
Momento d’inerzia della sezione rispetto a G:
[ ] [ ]
(
s G 2 s G 2)
2 G 3
i.
G n A d y A y d
2 y h h 12 b
h
I =b⋅ + ⋅ ⋅ − + ⋅ ⋅ − + ′ ⋅ − ′
• Momento di incipiente fessurazione (sezione tutta reagente) Appoggio intermedio: 6Ø16 superiori + 2Ø16 inferiori:
(
A A)
60 20 15(
12.06 4.02)
1441n b h
Ai = ⋅ + ⋅ s + ′s = ⋅ + ⋅ + = [cm2]
(
A d A d)
60 20 30 15(
12.06 57 4.02 3)
464922 n b h h
Si = ⋅ ⋅ + ⋅ s⋅ + ′s⋅ ′ = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ = [cm3]
26 . 1441 32 46492 A
y S
i
G = i = = dal lembo inferiore [cm]
[ ] [ ]
(
s G 2 s G 2)
2 G 3
i.
G n A d y A y d
2 y h h 12 b
h
I =b⋅ + ⋅ ⋅ − + ⋅ ⋅ − + ′ ⋅ − ′
(
32.26 30)
15(
12.06[
57 32.26]
4.02[
32.26 3] ) 528477
60 12 20
60
IGi. = 20⋅ 3 + ⋅ ⋅ − 2 + ⋅ ⋅ − 2+ ⋅ − 2 = [cm4]
( ) ( ) ( )
58.641000000 f 3 . 0 2 . 1 10 26 . 32 60
10 528477 f
2 . y 1 h M I
3 ck2 4
ctm G
i.
G
I ⋅ ⋅ =
⋅ ⋅
−
= ⋅
− ⋅
= [kNm]
Campata esterna: 5Ø16 inferiori + 2Ø16 superiori:
(
A A)
60 20 15(
10.05 4.02)
1411n b h
Ai = ⋅ + ⋅ s + ′s = ⋅ + ⋅ + = [cm2]
(
A d A d)
60 20 30 15(
10.05 57 4.02 3)
447742 n b h h
Si = ⋅ ⋅ + ⋅ s⋅ + ′s⋅ ′ = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ = [cm3]
73 . 1411 31 44774 A
y S
i
G = i = = dal lembo superiore [cm]
[ ] [ ]
(
s G 2 s G 2)
2 G 3
i.
G n A d y A y d
2 y h h 12 b
h
I =b⋅ + ⋅ ⋅ − + ⋅ ⋅ − + ′ ⋅ − ′
(
31.73 30)
15(
10.05[
57 31.73]
4.02[
31.73 3] ) 509629
60 12 20
60
IGi. = 20⋅ 3 + ⋅ ⋅ − 2 + ⋅ ⋅ − 2+ ⋅ − 2 = [cm4]
( ) ( ) ( )
55.491000000 f 3 . 0 2 . 1 10 73 . 31 60
10 509629 f
2 . y 1 h M I
3 ck2 4
ctm G
i.
G
I ⋅ ⋅ =
⋅ ⋅
−
= ⋅
− ⋅
= [kNm]
• Tensioni indotte nell’armatura tesa dal momento di incipiente fessurazione (sezione parzializzata) Appoggio intermedio: 6Ø16 superiori + 2Ø16 inferiori:
Posizione dell’asse neutro dal lembo inferiore:
( )
(
+ ′)
⋅
⋅ ′ + ′
⋅ ⋅
⋅ + +
−
′ ⋅ +
= ⋅ 2
s s
s s s
G s
A A n
d A d b A 2 1 b 1
A A y n
( )
(
12.06 4.02)
22.5015
3 02 . 4 57 06 . 20 12 2 1 20 1
02 . 4 06 . 12
yG 15 2 =
+
⋅
⋅ +
⋅ ⋅
⋅ + +
− + ⋅
= ⋅ [cm]
Momento d’inerzia della sezione rispetto a G:
[ ] [ ]
(
s G 2 s G 2)
3G i.
G n A d y A y d
3 y
J = b⋅ + ⋅ ⋅ − + ′ ⋅ − ′
[ ] [ ]
(
12.06 57 22.50 4.02 22.50 3)
3141833 15 50 . 22
JGi. =20⋅ 3 + ⋅ ⋅ − 2 + ⋅ − 2 = [cm4]
Tensione indotta nell’armatura tesa dal momento di incipiente fessurazione:
( ) (
570 225)
96.5810 314183
10 64 . 15 58 y J d
n M G 64
i.
G I
sr ⋅ − =
⋅
⋅ ⋅
=
−
⋅
⋅
=
σ [MPa]
Campata esterna: 5Ø16 inferiori + 2Ø16 superiori:
Posizione dell’asse neutro dal lembo inferiore:
( )
(
+ ′)
⋅
⋅ ′ + ′
⋅ ⋅
⋅ + +
−
′ ⋅ +
= ⋅ 2
s s
s s s
G s
A A n
d A d b A 2 1 b 1
A A y n
( )
(
10.05 4.02)
20.8915
3 02 . 4 57 05 . 20 10 2 1 20 1
02 . 4 05 . 10
yG 15 2 =
+
⋅
⋅ +
⋅ ⋅
⋅ + +
− + ⋅
= ⋅ [cm]
Momento d’inerzia della sezione rispetto a G:
[ ] [ ]
(
s G 2 s G 2)
3G i.
G n A d y A y d
3 y
J = b⋅ + ⋅ ⋅ − + ′ ⋅ − ′
[ ] [ ]
(
10.05 57 20.89 4.02 20.89 3)
2766423 15 89 . 20
JGi. = 20⋅ 3 + ⋅ ⋅ − 2 + ⋅ − 2 = [cm4]
Tensione indotta nell’armatura tesa dal momento di incipiente fessurazione:
( ) (
570 208.9)
108.6510 276642
10 49 . 15 55 y J d
n M G 64
i.
G I
sr ⋅ − =
⋅
⋅ ⋅
=
−
⋅
⋅
=
σ [MPa]
• Calcolo dell’ampiezza delle fessure in condizione di carico rara Ampiezza della fessura: wk =β⋅srm⋅εsm
Coefficiente β β=1.70
Deformazione media:
σ
⋅ σ β
⋅ β
− σ ⋅
= ε
2 s 2 sr 1 s
sm s 1
E 0 .
1=1
β per barre ad aderenza migliorata 5
.
2 =0
β per carichi di lunga durata
σs tensione nell’armatura tesa
Distanza media tra le fessure:
r 2 1 rm 50 0.25 k k
s ρ
⋅ φ
⋅
⋅ +
=
φ diametro delle barre in millimetri 8
. 0
k1= barre ad aderenza migliorata 5
. 0
k2 = per flessione pura eff
, c r A s
= A
ρ rapporto d’armatura efficace
As area dell’aratura contenuta nell’area efficace Ac,eff
Appoggio intermedio: 6Ø16 superiori + 2Ø16 inferiori:
00112 . 8 0 . 243
58 . 5 96 . 0 1 200000 1
8 . 1 243
E
2 2 s 2 sr 1 s
sm s = ⋅ − ⋅ ⋅ =
σ
⋅ σ β
⋅ β
− σ ⋅
= ε
Si noti che vista la linearità delle tensioni 0.3961 03
. 148
64 . 58 M
M
raraSd s
sr = ′ = =
σ σ
06 . 12
As = [cm2]
[ ]
(
2.5 h d)
20(
2.5[
60 57] )
150b
Ac,eff = ⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅ − = [cm2]
90 . 69 150
06 . 12 5 16 . 0 8 . 0 25 . 0 50 k
k 25 . 0 50 s
r 2 1
rm = + ⋅ ⋅ ⋅ =
ρ
⋅ φ
⋅
⋅ +
= [mm]
2 . 0 133 . 0 00112 . 0 90 . 69 7 . 1 s
wk =β⋅ rm⋅εsm = ⋅ ⋅ = < [mm]
Campata esterna: 5Ø16 inferiori + 2Ø16 superiori:
00109 . 6 0
. 242
65 . 5 108 . 0 1 200000 1
6 . 1 242
E
2 2 s 2 sr s 1
sm s = ⋅ − ⋅ ⋅ =
σ
⋅ σ β
⋅ β
− σ ⋅
= ε
Si noti che vista la linearità delle tensioni 0.4478 9
. 123
49 . 55 M
M
raraSd s
sr ′ = =
σ = σ 05
. 10
As = [cm2]
[ ]
(
2.5 h d)
20(
2.5[
60 57] )
150b
Ac,eff = ⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅ − = [cm2]
88 . 73 150
05 . 10 5 16 . 0 8 . 0 25 . 0 50 k
k 25 . 0 50 s
2 r 1
rm = + ⋅ ⋅ ⋅ =
ρ
⋅ φ
⋅
⋅ +
= [mm]
2 . 0 137 . 0 00109 . 0 88 . 73 7 . 1 s
wk =β⋅ rm⋅εsm = ⋅ ⋅ = < [mm]
Si è assunta una apertura delle fessure ammissibile pari a w=0.2 [mm], che è rispettata in entrambi i casi.
1.5. Lunghezze di ancoraggio delle armature
• Lunghezze di ancoraggio
La lunghezza di base di ancoraggio per barre Ø16 in Feb44k/s risulta:
[ ]
[ ]
= ⋅[
⋅]
=[ ]
γ
⋅
= ⋅
⋅ =
⋅
= ⋅
⋅
⋅
⋅
= φ
MPa 50 . 60 2
. 1
25 21 . 0 25 . f 2 21 . 0 25 . f 2
mm 50 855
. 2 7 . 0 4
9 . 373 16 f
7 . 0 4 l f
3 2 c
3 ck2 bd
bd b yd
La lunghezza di ancoraggio necessaria si calcola con la seguente formula:
min , disposta b , s
calcolo , b s a net ,
b l
A l A
l =α ⋅ ⋅ ≥
a =1
α per barre dritte
φ
⋅
>
=
⋅
=
⋅
=0.3 l 0.3 855 275 10
lb,min b per barre in trazione
1° Campata: massima trazione nelle armature inferiori
05 800 . 10
42 . 855 9 A 1
l A l
disposta , s
calcolo , b s a net ,
b =α ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = [mm]
2° Appoggio: massima trazione nelle armature superiori
06 797 . 12
24 . 855 11 A 1
l A l
disposta , s
calcolo , b s a net ,
b =α ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = [mm]
2° Campata: massima trazione nelle armature inferiori
03 755 . 6
32 . 855 5 A 1
l A l
disposta , s
calcolo , b s a net ,
b =α ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = [mm]
Uniformiamo tutte le lunghezze necessarie a: lb,net =800 [mm]
• Disegno delle armature longitudinali
352.4 [kN]420.2 [kN] 6Ø16 = 450 [kN]
150 [kN]2Ø16 = 4Ø16 = 300.6 [kN] 5Ø16 = 357.8 [kN]
2Ø16
4Ø16 4Ø16
2Ø16 2Ø16
1Ø16 1Ø16
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